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,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