电磁制冷

陈大威

这是利用磁热效应的制冷方式。

　　早在1907年郎杰斐（P.Langevin）就注意到：顺磁体绝热去磁过程中，其温度会降低。从机理上说，固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热量。这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应。1927年德贝（Debye）和杰克（Giauque）预言了可以利用此效应制冷。1933年杰克实现了绝热去磁制冷。从此，在极低温领域（mK级至16K范围）磁制冷发挥了很大作用。现在低温磁制冷技术比较成熟。美国、日本、法国均研制出多种低温磁制冷冰箱，为各种科学研究创造极低温条件。例如用于卫星、宇宙飞船等航天器的参数检测和数处理系统中，磁制冷还用在氦液化制冷机上。而高温区磁制冷尚处于研究阶段。但由于磁制冷不要压缩机、噪声小，小型、量轻等优点，进一步扩大其高温制冷应用很有诱惑力，目前十分重视高温磁制冷的开发。
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基本概念
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　　磁制冷是在顺磁体绝热去磁过程中获得冷效应的。了解磁制冷，先解释一下顺磁体。螺旋线圈通电时，产生感应磁场 。在线圈中插入磁性物体（比如铁棒），物体磁化后产生附加磁场 。于是，总的磁感应强度为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　(1)不同的磁介质产生的附加磁场情况不同，附加磁场与原磁场方向相同的磁介质为顺磁体（如铁、锰）；附加磁场与原磁场方向相反的磁介质为抗磁体（如铋、氢等）。磁感应强度单位是特斯拉（Tesla），用符号T表示，量纲为N／Am。

　　依热力学方法讨论磁制冷。设物体的磁矩为 物体在磁场H中磁矩增加 时，磁场对物体作功为 。该过程中物体吸热 ，内能增加 。则由热力学第一定律有　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　(2)式中 ----- 真空磁导率， ；―― ----- 磁场强度，A/m；―― ----- 磁矩， 。
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　　将式(2)与熟知的气体热力学第一定律表达式 相类比。磁系统中的 相当于气体系统中的压力 ； 则相当于体积 。并类似地引出磁熵 的概念。用 图可以描述磁性物体的磁热状态，反映出物体温度T、磁熵 与磁场B（常用磁感应强度代替磁场度H）三者之者的关系。
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低温磁制冷
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　　在16K以下的极低温区，由于固体的晶格振动和传导电子的热运动可以忽略，故磁离子系统的磁熵变近似等于整个固体的总熵变这种情况下，磁制冷采用卡诺循环，磁材料用稀土顺磁盐。

　　磁制冷卡诺循环如图1所示。它由四个过程组成：　　1－2 为等温磁化（排放热量）；　　2－3 为绝热退磁（温度降低）；　　3－4 为等温退磁（吸收热量制冷）；　　4－1 为绝热磁化（温度升高）。
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图1 磁制冷卡诺循环

　　已开发出的磁材料有：钆镓石榴（Gd3Ga5O12）、镝铝石榴石（Dy3Al5O12）、钆镓铝石榴石（Gd3（Ga1-xAl2）5O12,x=(0.1~0.4)。其制冷温度范围：(4.2~20)K。
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　　正在开发的磁材料有：Ral2和RNi2(R代表Gd,Dy,Ho,Er等重稀土)。其制冷温度范围：（15~77）K。

　　磁制冷装置 首先需要有超导强磁体，用于产生强度达(4~7)T的磁场。用旋转法实现循环：将钆镓石榴石（磁介质）做成小球状，充填入一个空心圆环中。使圆环绕中心轴旋转，转到冰箱外的半环受磁场作用，磁化放热；转到冰箱内的半环退磁，吸热制冷。日本川崎公司研究的这类转动式磁制冷机需要的最大磁场强度为4.5T；旋转速度为0.72r/min；制冷温度达(4.2~11.5)K；制冷量为0.12w。
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高温磁制冷
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　　温度20K以上，特别是近室温附近，磁性离子系统热运动大大加强，顺磁盐中磁有序态难以形成，它在受外磁场作用前后造成的磁系统熵变大大减小，磁热效应也大大减弱。所以，进入高温区制冷，低温磁制冷所采用的材料和循环都不适用。

图2 高温磁制冷循环的 图
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　　图2示出金属钆（Gd）在(200~300)K条件下的 图。如图若按卡诺循环制冷（图中 ），则温降很小。故这时应采用艾里克森循环（Ericsson），如图中12341所示。它由四个过程组成：1－2为等温磁化；2－3为等磁场过程（温度降低）；3－4为等温退磁（吸热制冷）；4－1为等磁场过程（温度上升）。
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图3 布朗的高温磁制冷实验1－磁体；2－蓄冷筒；3－钆板
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　　布朗用7T的磁场和金属钆，按上述循环成功地从室温制取到－30℃的低温。布朗的实验装置如图3所示。将金属钆板（磁材料）浸在蓄冷筒的蓄冷液体（水＋乙二醇溶液）中。利用磁场变化配合蓄冷筒上下运动实现循环。图3中示出了一个周期的变化过程。经过多次反复，筒体上部达到323K；下部达到243K。
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　　目前，力图使高温磁制冷实用公的研究包括以下主要方面：①寻找合适的磁材料（工质）。它应具有的特点是：离子磁矩大、居里点接近室温、以较小磁场（例如1T）作用与除去作用时能够引起足够大的磁熵变（即磁热效应显著）。现已研制出一系列稀土化合物作磁制冷材料，如R-Al,R-Ni,R-Si等系列的物质（其中R代表稀元素），还有复合型磁制冷物质（由居里点不同的几种材料组成）。②外磁场。需采用高磁通密度的永磁体。③研究最合适的磁循环并解决实现循环所涉及到的热交换问题。

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