磁制冷冰箱(磁制冷技术的原理是什么)

磁冰箱原理

磁冰箱

磁冰箱是利用磁热效应制冷的冰箱

传统的冰箱或制冷机采用的是气体压缩循环系统，也就是将容易液化的氟利昂气体用泵送到制冷机内部吸收热量，然后传送到制冷机外面。当气体通过制冷机背后的蛇形管时，压缩机的压力使气体冷凝并向周围散发热量。在整个循环过程中，氟利昂和管壁之间的摩擦要消耗能量。因此，即使是最好的气体压缩式制冷机效率也只有40％。而且，氟利昂冰箱在废弃后，它释放出的氟利昂会进入大气破坏臭氧层。

而磁冰箱不用气体介质，其效率可达60％以上。新研制的磁冰箱的核心是一个旋转装置，装置包括含有金属钆片的转轮和一块高磁场强度稀土永磁铁。钆是一种特殊的金属，它被置于磁性环境后温度升高，当磁场被去除后则温度下降，这一现象被称为“磁热效应”。工作时，钆轮通过永磁铁缺口进入磁场后出现巨大的磁热效应，由此导致钆轮升温，系统内第一条循环管道的水将钆轮温度升高获得的热量带走以使钆轮冷却；当钆轮离开磁场后，钆轮温度就会下降到比它进入磁场前还要低的温度，此时系统内第二条循环管道的水通过钆轮并被钆轮冷却，被冷却的水成为制冷源，可用于制冷。

“我们正在见证历史，”美国能源部的冶金专家、爱荷华州立大学教授卡尔·格斯克奈德这样说。因为这一新的科研成果将改变传统的冰箱制冷系统，不再排放使地球变暖的气体，对于环境保护具有重要意义。与此同时，它的制冷系统在工作时几乎没有声音，因为它没有什么振动。

这种制冷系统的另一个优点是节能。这位专家说，这种磁冰箱只耗费驱动钆轮转动的发动机和抽水机的电力，节省了电能。刚开始要完全靠电，以后还可以发展到用电池驱动。他还说，这种磁冷却技术今后将广泛用于空调、冷冻和其它商用和家用设备。

应该说，利用“磁热效应”制冷，人类已经研究了很长时间。早在1918年，科学家们就发现有些金属在磁化时会变热，而退磁后又会变冷。从那以后，对于用这种效应制冷的研究和探索从未停止过，但长期以来，这个领域的研究进展非常缓慢。

美国埃姆斯实验室是从1985年开始在磁冰箱领域进行研究的，主要为美国的宇航公司研制，同时得到了美国能源部的资助。刚开始时，埃姆斯实验室的研究人员用笨重的超导磁铁来研究设计磁冰箱，遭到多次挫折。这次研发出来的新产品采用了新技术，首次使用了永磁铁。与此同时，埃姆斯实验室的研究人员还开发出了大量制造硅锗钆合金技术，这种材料具有更高的磁制冷效果，比使用纯钆磁制冷材料的效率要高出很多。

磁热效应：magnetocaloric effect

绝热过程中铁磁体或顺磁体的温度随磁场强度的改变而变化的现象。

这一效应的数学表示是,其中H是磁场强度，S是磁介质的熵，T是热力学温度。

用热力学理论研究磁介质的热力学性质，可以得到如下关系

其中是磁场强度H不变时单位体积的热容[1]，表示磁场强度H不变时磁化强度M随温度T的变化率。利用这个关系,并设磁介质遵守居里定律可以得到关系。

对于顺磁介质,ⅹ和K都是正数,磁介质的热容CH也是正数，故有

可见，绝热地减小磁场时，物质的温度将降低。这种现象叫做磁致冷效应。利用绝热去磁法获得低温，就是依据这一效应。因为在没有磁场时，各个磁活动性离子的角动量取向是混乱的,使得每摩尔分子的熵,除了点阵振动所引起的部分外，又增加了一部分。若将磁介质在温度保持一定的情况下放入强磁场中，磁场将使所有离子的角动量取能量较小的方向,因而减小了系统的熵,这时有热量ΔQ＝ΔS/T流出磁介质。若再绝热地慢慢减小磁场,使整个过程为可逆过程，则系统的总熵保持不变，但过程中各离子角动量取向引起的熵增加到原来的值，所以与点阵振动相联系的那部分熵必然减小，结果物质被冷却。绝热去磁法是现代得到低温的有效方法，可以得到约0.001K的低温。

物质的点阵振动和磁矩取向都对系统的熵有贡献，如先在等温情形下加外磁场，物质被磁化，分子磁矩趋向于一致的排列，对熵的贡献减小，系统放出热量；然后在绝热条件下撤去外磁场，磁矩恢复为无规排列，相应的熵增加，但由于是绝热去磁，系统的总熵不变，磁矩的熵的增加是以点阵振动的熵的减少作代价，这导致物质的冷却。绝热去磁与绝热去极化一样可用来获得低温 。

基于“磁热效应”（MCE）的磁制冷是传统的蒸汽循环制冷技术的一种有希望的替代方法。在有这种效应的材料中，施加和除去一个外加磁场时磁动量的排列和随机化引起材料中温度的变化，这种变化可传递给环境空气中。Gd5Ge2Si2是其中一种所谓的巨型MCE材料，当在上个世纪90年代后期被发现时曾引起人们很大兴趣。该化合物作为制冷物质有一个缺点：当在该材料表现出大的磁热效应的温度范围内循环其磁化时，它会因磁滞现象而损失大量能量。但是现在，研究人员找到了克服这一问题的一个简单方法。只是通过添加少量铁，就可将磁滞现象减少90%，所获得的合金成为一种性能得到很大改善的制冷物质，可在接近室温的环境下应用

磁制冷技术的原理是什么?

磁制冷是一种利用磁性材料的磁热效应来实现制冷的新技术，所谓磁热效应是指外加磁场发生变化时磁性材料的磁矩有序排列发生变化，即磁熵改变，导致材料自身发生吸、放热的现象。

在无外加磁场时，磁性材料内磁矩的方向是杂乱无章的，表现为材料的磁熵较大；有外加磁场时，材料内磁矩 的取向逐 渐趋于一致，表现为材料的磁熵较小。

磁制冷基本原理如图所示，在励磁的过程中，磁性材料的磁矩沿磁场方向由无序到有序，磁熵减小，由热力学知识可知此时磁工质向外放热；在去磁的过程中，磁性材料的磁矩沿磁场方向由有序到无序，磁熵增大，此时磁工质从外部吸热。

其次在绝热条件下，磁工质与外界没有发生热量交换，在励磁和去磁的过程中，磁场对材料做功，使材料的内能改变，从而使材料本身的温度发生变化。

扩展资料：

磁制冷技术发展历史

求半导体空调和磁制冷冰箱的制冷原理~

半导体空调原理：

半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关，即： Qab=Iπab

πab称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数 ，单位为[V], πab为正值时，表示吸热，反之为放热，由于吸放热是可逆的，所以πab=－πab

帕尔帖系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度，其数值可以由赛贝克系数αab[V.K-1]和接头处的绝对温度T[K]得出πab=αabT与塞贝克效应相，帕尔帖系也具有加和性，即：

Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I

因此绝对帕尔帖系数有πab=πa－ πb

金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得多，因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。

磁制冷冰箱原理：

磁冰箱是根据磁热效应的原理制成的。稀土元素钆（Gd）是一种具有巨磁热效应的金属，在等温磁化时向外界放出热量，在绝热去磁时温度降低，因而可从外界吸取热量，达到制冷目的。为了完成制冷循环过程，可先在高温环境中对工质施加外磁场，并等温地实现伴随着熵减少而进行的放热过程；然后在低温下撤去外磁场，让工质进行等温吸热，最后在这两个过程之间用适当的过程加以连接，就可完成制冷操作。用不同种类的过程连接上述两个过程可以得到不同的磁制冷循环，如磁卡诺循环、磁斯特林循环、磁埃里克森循环以及磁布雷顿循环等。 

    磁卡诺循环是用绝热去磁和绝热磁化过程连接两个等温过程（见图1）。在这个循环中，外部对制冷工质所做的功相当于四边形ABCD的面积。下面以最简单的磁卡诺循环为例对绝热去磁制冷过程进行说明（见图2）。 

  等温磁化过程（图1中的AB过程）：热开关Ⅰ闭合、Ⅱ断开，磁场施加于磁工质，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。   绝热去磁过程（图1中的BC过程）：热开关Ⅰ断开、Ⅱ仍断开，逐渐移去磁场，磁工质内自旋系统逐渐无序，在去磁过程中消耗内能，使磁工质温度下降到低温热源温度。   等温去磁过程（图1中的CD过程）：Ⅱ闭合、Ⅰ仍断开，磁场继续减弱，磁工质从低温热源吸热。   绝热磁化过程（图1中的DA过程）：Ⅱ断开、Ⅰ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。 

    由于室温附近磁性离子系统的热运动大大加强，磁性工质的磁有序度难以形成，在受外磁场作用前后的磁熵变大大减小，同时强磁场的产生也受到许多条件的限制，磁热效应也大减弱。为了进一步提高室温磁制冷机的效率，通常主要应用磁埃里克森循环制冷机，图3是金属钆在200～300K条件下的T-S图。若按磁卡诺循环制冷（图中1'23'4'1'），则温降很小。埃里克森循环（图中12341）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为等温去磁（吸热制冷）、4→1为等磁场过程（温度上升）。 

  磁冰箱的核心是一个旋转装置，该装置包括含有金属钆片的转轮和一块高磁场强度稀土永磁铁。工作时，钆轮通过永磁铁缺口进入磁场后出现巨大的磁热效应，由此导致钆轮升温，系统内第一条循环管道的水将钆轮温度升高获得的热量带走，以使钆轮冷却；当钆轮离开磁场后，钆轮温度就会下降到低于它进入磁场前的温度，此时系统内第二条循环管道的水通过钆轮并被钆轮冷却，被冷却的水成为制冷源，可用于制冷；若用凝固点远低于纯水的液体（如水和乙醇的1：1混合液）作为制冷源，就可制成有冷冻功能的实用型冰箱。 

  这一科研成果彻底改变了传统的冰箱制冷系统，工作时只需驱动钆轮转动的发动机、抽水机的电力，从而节约了能源。该系统工作时无声、几乎无振动。如果用近年来新发现的GdSiGe系磁致冷材料（在室温附近，Gd5Si2Ge2的磁热效应是金属钆的两倍）或新近研究出的铁锰磷砷合金材料替代金属钆片，其制冷效率将更高。

冰箱工作原理图

根据《2013-2017年中国冰箱行业市场前瞻与投资机会分析报告》统计分析，冰箱按照分类的不同，工作原理有以下9种：

1）压缩式电冰箱：该种电冰箱由电动机提供机械能，通过压缩机对制冷系统作功。制冷系统利用低沸点的制冷剂，蒸发汽化时吸收热量的原理制成的。其优点是寿命长，使用方便，世界上91～95%的电冰箱属于这一类。常用的电冰箱利用了一种叫做R600冰箱a的制冷剂作为热的“搬运工”，把冰箱里的“热”“搬运”到冰箱的外面。

2）吸收式电冰箱：该种电冰箱可以利用热源（如煤气、煤油、电等）作为动力。利用氨－水－氢混合溶液在连续吸收－扩散过程中达到制冷的目的。其缺点是效率低，降温慢，现已逐渐被淘汰。

3）半导体电冰箱：它是利用对PN型半导体，通以直流电，在结点上产生珀尔帖效应的原理来实现制冷的电冰箱。

4）化学冰箱：它是利用某些化学物质溶解于水时强烈吸热而获得制冷效果的冰箱。

5）电磁振动式冰箱：它是用电磁振动机作本动力来驱动压缩机的冰箱。其原理、结构与压缩式电冰箱基本相同。

6）太阳能电冰箱：它是利用太阳能作为制冷能源的电冰箱。

7）绝热去磁制冷电冰箱。

8）辐射制冷电冰箱。

9）固体制冷电冰箱。

磁制冷的基本介绍

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。

谁知道磁制冷的原理啊，给小弟讲解一下。

基于“磁热效应”（MCE）的磁制冷是传统的蒸汽循环制冷技术的一种有希望的替代方法

在有这种效应的材料中，施加和除去一个外加磁场时磁动量的排列和随机化引起材料中温度的变化，这种变化可传递给环境空气中

Gd5Ge2Si2是其中一种所谓的巨型MCE材料，当在上个世纪90年代后期被发现时曾引起人们很大兴趣

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

基本概念 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，

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

低温磁制冷 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）

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

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

高温磁制冷 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

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