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磁制冷的现状


制冷技术自 100 多年前被发明以来, 迄今都是利用气体压缩膨胀的制冷循环过程来制冷。 20 世纪 20 年代问世的氟利昂由于作为制冷剂的优秀性能被广泛应用,至今各种制冷机向大气 中排放的氟利昂已超过 2000 万吨。氟利昂在紫外线的作用下会分解,释放出的氯原子同臭 氧发生连锁反应,不断破坏臭氧层。科学家估计一个氯原子可以破坏数万个臭氧分子。2003 年臭氧空洞已达 2500 万

平方公里。这给人类健康和生态环境带来多方面的危害,例如平流 层臭氧减少万分之一,全球白内障的发病率将增加 0.6%—0.8%,意味着因此失明的人数将 增加 1 万—1.5 万人。鉴于此,1987 年 24 个国家签署了禁用氟利昂的《关于消耗臭氧层物 质的蒙特利尔议定书》 ,中国政府也于 1991 年宣布加入议定书并主动将禁氟期限从原定的 2010 年提前到 2007 年 7 月 1 日。 目前新出厂的空调或冰箱等产品所用多为不含氟的 R410A 环保新冷媒。 但服役中的制冷产品仍有大约八成没有更新换代, 各国政府并未强制将其报废。 此外,正如我们曾经认为氟利昂干净无害,新冷媒的“环保”也只是针对目前的认知而言, 对环境有无潜在威胁尚未可知。最重要的是,只要仍在使用气体制冷,其固有的噪音大、功 耗大以及效率低等缺点就仍然存在。 实际上,磁制冷技术的研究由来已久,但早期的研究主要集中在低温区,即 77K(零下 196 摄氏度)以下的范围,因而这类磁制冷机一般应用于低温超导等领域的研究。近年来室温磁 制冷的开发源于对于金属钆(元素符号 Gd)的使用。1976 年,美国国家航空暨太空总署 (NASA) 以钆为磁制冷工质制造出了世界上第一台室温区磁制冷样机。 但由于钆价格昂贵、 提纯困难, 且性能仍无法达到实际使用的要求, 因而只是作为一种探索性材料存在于实验室 中。 1997 年,当年美国能源部埃姆斯实验室(Ames Laboratory)的 Karl A. Gschneidner 教授首 先发现伪二元合金 Gd5(Si1-xGex)4 具有大磁热效应,其磁熵变远大于金属钆,且原材料 价格低廉, 工作温度可以通过调节成分达到室温区。 随后各国科研人员在室温磁制冷领域获 得一系列研究成果。2001 年,Wada H 和 Tanabe Y 发现了 MnAs 合金的巨磁热效应。2002 年和 2005 年《自然》杂志发表了对 MnFeP1-xAsx 以及 NiMnSn 合金磁热效应的研究。我国 的相关研究亦起步较早, 如中国科学院物理研究所沈保根研究员所领导的小组、 北京科技大 学龙毅教授以及四川大学陈云贵教授的科研组对 Ni-Mn-Ga、La-Fe-Si 系室温磁制冷材料研 究已获得一系列重大成果。近年来国家“863” 及“973”项目不断给磁制冷材料领域以资助, 表明我国对这一新兴领域的认可和发展决心。 一系列性能优异且价格低廉的磁制冷材料被发 现,使得民用室温区磁制冷机不断向实用领域迈进。 现有材料和制冷机制作技术所造出的磁制冷机,其工作效率已经比传统的气体压缩制冷机 高出 20%—30%,但其实用化、民用化还有一段道路要走,这也给致力于此领域的研究人员 提出了探索方向,主要集中在如下几个方面:首先是寻找更为优秀的磁制冷工质,它们应具 有的特点是:离子磁矩大、居里温度接近室温、以较小磁场即可引起足够大的磁熵变。其中 作为磁性材料的工作温度的“居里温度” (即 TC)是极为重要的指标,高于此温度,无论有 无外磁场,铁磁材料均不会呈现磁性。显然我们必须找到 TC 在室温附近的磁性材料,若其 TC 过低则无法应用。对于制冷机来说,所用材料要对外磁场的“命令”反应充分灵敏,这 样可大大减低功耗。 其次是研制更优秀的外磁场。 高效的外磁场会使一部磁制冷机的制冷能 力更强、能耗更低。再次,需要寻找更合适的磁循环并优化热交换过程。如何将热量交换过 程设计得更合理、使整机可以长时间不间断稳定运行、减小运行中的能量损失,这都是未来 磁制冷机设计的方向与目标。 一种干净、高效、低耗、无噪音且体积小巧的制冷设备距离我们的生活已经不再遥远,或 许就在未来的 5 年到 10 年中,客厅中的一幅油画、书房里的一只挂钟,抑或卧室墙上甜蜜

的结婚照,都有可能在散发出艺术气息与温馨气氛的同时,安静地释放徐徐凉风,让我们的 生活更加惬意、安宁与美好。 (作者单位:中国科学院自然科学史研究所) 磁制冷的明天

一种干净、高效、低耗、无噪音且体积小巧的制冷设备距离我们的生活已经不再遥远,或许 就在未来的 5 年到 10 年中,客厅中的一幅油画、书房里的一只挂钟,抑或卧室墙上甜蜜的 结婚照,都有可能在散发出艺术气息与温馨气氛的同时,安静地释放徐徐凉风。 制冷技术在当今世界起着非常重要的作用, 影响着人们日常生活的吃穿住行乃至科学技术的 进步与发展。没有制冷技术,新鲜食物的获得依然受到季节、地域的限制,环境温度的调节 将成为永远的奢望,医疗领域的前沿技术如核磁共振成像、器官移植、低温外科手术等也将 不复存在。但是,传统的制冷技术正在经受环保和能源方面的双重挑战。 传统制冷技术的局限

那么,有没有无污染、无噪音、节能、体积小且不用过多的人力维护的制冷机呢?这在过 去似乎只是人类一相情愿的美好愿望,但现在,一种被称为“磁制冷”技术的发展让我们看 到一线曙光。磁制冷即用磁性材料制冷的技术。这类材料内部存在大量磁矩,在磁场作用下 会表现出磁性。在零磁场条件下,磁矩的取向是无序的,此时具有较大的磁熵即混乱度。外 加磁场后,磁矩沿磁化方向趋于有序排列,导致磁熵下降,在等温条件下向外界排热;当磁 场强度减弱, 由于磁性原子或离子的运动, 其磁矩又趋于无序, 在等温条件下, 从外界吸热, 我们称这种现象为“磁热效应” 。如果利用磁热效应把吸热过程和放热过程用一个循环连接 起来, 通过改变外加磁场强度有意识地控制磁熵, 就可使磁性材料不断从一端吸热而在另一 端放热,从而达到制冷的目的。 磁制冷技术的民用化进程


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