| 低溫磁制冷技術的應用與發(fā)展 | |
| 來源： 作者： 點擊： 34 時間：2010-11-01 | |
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一、引言 臭氧層是指距地球表面10至50公里的大氣層中由臭氧構(gòu)成的氣層。臭氧是一種氣體，其分子結(jié)構(gòu)為三個氧原子，即O3。臭氧層的主要功能在于吸收來自宇宙的紫外線，使地球上的萬物免受紫外線輻射的危害，所以，臭氧層被稱之為地球的保護傘。但如今，臭氧層已被人類嚴重破壞，本世紀開始人類大量使用高度穩(wěn)定的合成化合物，如空調(diào)器、冰箱工業(yè)、溶劑、航空航天用制冷劑、噴霧劑、清洗劑中含氯氟烴化合的揮發(fā)出來，通過復雜的物理化學過程與臭氧發(fā)生化學反應而將其摧毀。 為了防止生產(chǎn)和使用氟氯碳類化合物造成的大氣臭氧層的破壞，到2000年全世界將限制和禁止使用氟里昂制冷劑，我國于1991年6月加入這個國際公約并做出規(guī)定，到2010年我國將禁止生產(chǎn)和使用氟里昂等氯氟烴和氫氯氟烴類化合物。 因此，需要加快研究開發(fā)無害的新型制冷劑或不使用氟里昂制冷劑的其它類型制冷技術。 本世紀二十年代末，科學家發(fā)現(xiàn)了磁性物質(zhì)在磁場作用下溫度升高的現(xiàn)象，即磁熱效應。隨后許多科學家和工程師對具有磁熱效應的材料、磁制冷技術及裝置進行了大量的研究開發(fā)工作。 二、磁制冷原理及特點[1] ?、糯胖评渚褪抢么艧嵝?，又稱磁卡效應（Magneto－CaloricEffect，MCE）的制冷。磁熱效應是指磁制冷工質(zhì)在等溫磁化時向外界放出熱量，而絕熱去磁時溫度降低，從外界吸收熱量的現(xiàn)象。 例如對于鐵磁性材料來說，磁熱效應在它的居里溫度（磁有序－無序轉(zhuǎn)變的溫度）附近最為顯著，當作用有外磁場時，該材料的磁熵值降低并放出熱量；反之，當去除外磁場時，材料的磁熵值升高并吸收熱量，這和氣體的壓縮－膨脹過程中所引起的放熱－吸熱的現(xiàn)象相似。 磁熱效應熱力學基礎[2] 所示：當磁性材料磁化時，dH為正值，△Tad>0，所以系統(tǒng)溫度升高；同樣，當磁性材料去磁時，dH<0，△Tad>0，所以系統(tǒng)的溫度降低。 ?、拼胖评涫且豁椌G色環(huán)保的制冷技術。與傳統(tǒng)制冷相比，磁制冷是采用磁性物質(zhì)作為制冷工質(zhì)，對大氣臭氧層無破壞作用，無室溫效應，單位制冷率高，能耗、運動部件少，因此機械振動及噪聲小，工作頻率低，可靠性高。在熱效率方面，磁制冷可以達到卡諾循環(huán)的30％～60%，而依靠氣體壓縮－膨脹的制冷循環(huán)一般只能達到5％～10％。磁制冷應用范圍廣泛，從μK、mK及到室溫以上均適用。在低溫領域，磁制冷技術在制取液氮、液氦、尤其是綠色能源液氫方面有較好的應用前景；在高溫特別是近室溫領域，磁制冷在冰箱、空調(diào)及超市食品冷凍系統(tǒng)方面有廣闊的應用前景。 三、磁制冷的應用 目前，磁制冷主要應用在極地溫和液化氦等小規(guī)模的裝置中。雖然諸多原因的限制使磁制冷基礎理論尚未成熟，但磁制冷終將因其高效、無污染等特點成為未來頗具潛力的一種新的制冷方式，而對磁制冷循環(huán)理論的拓深必能大力推進磁制冷技術在太空開發(fā)和民用技術中的應用，為磁制冷開辟更加廣闊的前景。 此外，磁制冷冰箱已研制成功 根據(jù)實驗得知，電冰箱和空調(diào)裝置使用的制冷劑——氟利昂會污染環(huán)境，而用磁制冷原理制作的冰箱這不僅不會破壞環(huán)境，而且效率要比用氟利昂制冷高40%，其成本低25%。 另外，磁制冷在空間和核技術等國防領域也有廣泛的應用前景：在這個領域里要求冷源設備的重量輕、振動和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期長、工作溫度和冷量范圍廣。磁制冷機完全符合這些條件，例如冷凍激光打靶的氘丸，核聚變的氘和氚丸，紅外元件的冷卻，磁窗系統(tǒng)的冷卻，掃雷艇超導磁體的冷卻等。 四、磁制冷的歷史與發(fā)展 早在1881年，E．Warburg就在鐵中發(fā)現(xiàn)了磁熱效應。后來，1907年P．Langevin也注意到了恒磁體絕熱去磁過程中，其溫度會降低。1926年Debye和Giauque都預言了可以用磁熱效應制冷。隨后Giauque和MacDougall于1933年用Gd2（SO4）3．8H2O作為介質(zhì)進行了絕熱退磁的首次試驗，達到了0．53～0．1K超低溫。從此，在超低溫范圍內(nèi)，磁制冷發(fā)揮了很大的作用，一直到現(xiàn)在這種超低溫磁制冷技術已經(jīng)很成熟。 隨著磁制冷技術的迅速發(fā)展，其研究工作也逐步從低溫向高溫發(fā)展。1976年，美國NASALewis和G．V．Brown首先采用金屬Gd為磁制冷介質(zhì)，采用Stiring循環(huán)，在7T磁場下進行了室溫磁制冷試驗，開創(chuàng)了室溫磁制冷的新紀元。美國LosAlamos實驗室的W．A．Steyert等[4]設計了一個回轉(zhuǎn)式的磁制冷裝置，采用Brayton循環(huán)，當高低磁場差為1．2T、冷熱端溫差為7K時獲得了500W的制冷功率。1996年12月宇航公司的工程師CarlZimm[5]研制的室溫磁制冷樣機取得了突破性進展。他們采用3kg稀上金屬作為磁工質(zhì)，以水（加防凍劑）作為傳熱介質(zhì)，以NbTi超導磁體產(chǎn)生磁化場，建立了一套室溫的磁制冷樣機（原理機）系統(tǒng)。該機設計較為完美，在磁制冷循環(huán)過程中能量損失很小，制冷效率很高（實際效率可達卡諾循環(huán)的30%）。 但是由于磁制冷技術尚處在不斷完善的過程中，還有很多問題需要解決，主要有： ?、琶看未胖评溲h(huán)所產(chǎn)生的溫差還不夠大，目前還只有1～3K，這主要是由于磁場不夠強，也就是說磁性材料的磁熵還不夠大。 ?、拼胖评溥^程中的熱交換速度不夠快，從而使磁制冷周期延長，也使整個循環(huán)的熱效率下降。 ?、窃谑覝貤l件下，若不利用超導技術，仍利用電磁鐵或稀土永磁材料產(chǎn)生磁場，則在兩磁極面總存在空氣隙，因此進入磁場的磁制冷材料有限，這就應有絕熱效果好的隔熱層，這也是一個技術難題。 所以在今后磁制冷技術發(fā)展中應在以下幾個方面有所突破和創(chuàng)新： ?、糯艌龇治?，磁體結(jié)構(gòu)的設計應更完善和合理； ?、漆槍ο鄳臏貐^(qū)選擇換熱介質(zhì)，設計出最佳的熱開關或換熱回路，提高換熱效率； ⑶磁制冷材料的研制，通過改進工藝和材料重組制備性能更優(yōu)越的材料。 可以預見在不久的將來，磁制冷技術會以其自身的許多優(yōu)勢迅速發(fā)展起來，被廣泛應用于各個行業(yè)。 |
