室温磁制冷工质材料的研究进展.doc

室温磁制冷工质材料的研究进展
李立明
郑州电力高等专科学校郑州 XXXXX
胡星浩张鹏侯雪玲
上海大学材料研究所上海 200072
摘要: 磁制冷技术是一种高效、环保的新型制冷技术,应用前景非常广泛。室温磁制冷工质是室温磁制冷技术发展的关键因素之一,本文介绍了磁制冷工质用于制冷技术的原理、室温磁制冷工质的选择依据及发展现状,并对室温磁制冷工质技术的发展进行了展望。
关键词: 磁热效应;室温磁制冷工质;居里温度
Summary of Researchon ic Material for Room Temperature Refrigeraiton
Abstract: Room temperature ic refrigeration is a new type of refrigeration technology with high efficiency and environment safety. It shows a great applicable prosperity. ic material is a key factor for the development of temperalure ic refrigeration technology. In this paper, the mechanism of ic refrigeration, the principles to choose suitable ic material and the development of ic are discussed. And the future development of the material for ic refrigeration is described.
Keywords: ocaloric effect (MCE); Room temperature ic refrigeration material; Curie temperature
1 引言
磁制冷技术是一种高效、无污染的制冷技术。与传统气体压缩式制冷技术相比,磁制冷采用磁性物质作为制冷工质,对臭氧层无破坏作用,无温室效应,而且磁性工质的磁熵密度比气体大,因此制冷装置可以
更加紧凑;由于不需要压缩机,运动部件少且运动速度慢,机械振动及噪声小,可靠性高,寿命长;在热效率方面,气体压缩式制冷技术一般仅能达到卡诺循环的5%~10%,而磁制冷技术可以达到30%~60%,可以更有效的利用能量。
磁致冷的研究可追溯到120年前,1881年Warburg首先观察到金属铁在外加磁场中的热效应。1926年Debye、1927年Giauque两位科学家分别从理论上推导出可以利用绝热去磁制冷的结论后,极大地促进了磁制冷的发展。1933年Giauque等人以顺磁盐Gd2(SO4)·8H2O为工质成功获得了1K以下的超低温,此后磁制冷的研究得到了蓬勃发展。1976年布朗[1]采用金属Gd在磁场下首次实现了室温磁制冷。但由于工作需超导磁场,稀土金属Gd价格昂贵等因素而未能实用化。但布朗的工作推动了室温磁制冷的研究,近几十年来磁制冷研究工作集中在室温温区,取得了很大进展。
2 磁热效应
所谓磁制冷,即指借助磁致冷材料(磁工质)的磁热效应(ocaloric Efect,MCE),在等温磁化时向外界排放热量,退磁时从外界吸取热量,从而达到制冷目的。其磁制冷工作原理为[2]:磁性物质(磁工质)是由具有磁矩的原子或离子组成的结晶体,自身有一定的热运动或热振动。在没有外加磁场时,磁工质内部磁矩的取向是随意的,此时磁熵较大。当等温磁化时,磁矩将沿外磁场方向排列,使磁熵降低,此时磁工质向外界排出热量;绝热去磁时,由于磁性原子或离子的热运动,磁工质内部的磁矩又趋于无序状态,磁熵增加,此时磁工质从外界吸热,实现制冷的目的。这种对应于磁场增强(减弱)条件下的放(吸)热的物理现象,称为磁热效应(ocaloric Effect, MCE),具有磁热效应的磁性物质称为磁制冷工质材料。
图1 磁致冷原理示意图
磁制冷工质必须借助一定的磁制冷循环才能实现制冷的目的。磁制冷循环主要有以下几种:1).磁卡诺循环:由两个等温过程和两个绝热过程组成;2).斯特林循环:由两个等温过程和两个等磁矩过程组成;3).埃里克森循环:由两个等温过程与两个等磁化场过程组成;4).布雷顿循环:由两个等磁化场过程与两个绝热过程组成。
图2 磁制冷方式循环示意图
如图2所示,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,晶格熵可以忽略不计,Carnot cycle是适当的,但是当温度升高后,晶格熵逐渐增大到可与磁熵相比拟时,状态变化的有效熵变小,需加很大外磁场才能有效的制冷,此时