室温磁制冷原理及其机器演示.doc

室温磁制冷原理及其机器演示 1．磁制冷的历史及进展 现代社会的发展和生活质量的提高要求有舒适的环境，作为现代科学血液的制冷技术在近200年逐步发展和成熟，给人类的生活带来了舒适和享受，也给科学和技术提供了研究和使用平台。因为人类能源有近三分之一消耗在制冷上，因此制冷技术的状况对人类的生存和可持续发展就显得极为重要。从技术层面上说，制冷按照使用原理的不同主要有液体汽化制冷、气体膨胀制冷、吸收制冷、吸附制冷、热电制冷、涡流管制冷、热声制冷、脉冲管制冷以及磁制冷等多种形式，但目前的主流制冷方式是液体汽化制冷。液体汽化制冷大量使用的氟里昂会对大气构成严重的污染：它不但破坏大气层上空的臭氧环境（R12，R22，R502等制冷性能优良的主流制冷剂），而且还具有大的温室效应（R134a和R152a等目前所谓的替代品氟里昂），此外新近在冰箱上尝试使用的异丁烷600a也存在燃爆性这样的安全问题。因为制冷与我们的生活息息相关，它直接影响了能源的使用和环境的质量，因此研究和发展节能、安全、环保的新型制冷方式就非常迫切，而且意义重大 磁制冷的研究可追溯到十九世纪。磁性材料有磁热效应的第一个例子是铁，它在1888年首先由Warburg在实验中观察到。而磁制冷作为一种制冷方式的可能性则在1926年由Debye 和Giauque阐明。1933年，W.F.Giauque和D.P.Mac Dougall利用磁热效应进行绝热去磁冷却顺磁盐成功。到今天，使用核去磁人类已经可以达到10-8K的极低温度，但那种制冷方式没有循环可言。构成循环的磁制冷因为其过程的可逆性而在理论上具有最高的循环效率，而且没有压缩机，所以就成了物理学家梦寐以求的制冷方式。但后来的研究仅仅在极低温领域（绝对零度附近）获得成功，并且早已生产出了氦的磁制冷液化设备。在室温磁制冷部分则经历了太多的失败后长期停滞不前，一直没有什么大的进展。和低温下的磁制冷不同，室温磁制冷因为热扰动的加剧和超高磁场获得的困难，所以在循环方式、磁制冷工质以及系统设计上都有特殊的要求，实现起来十分艰难，从而长期裹足不前。 在76年以前的磁制冷研究还可以说得稍微详细些：1881年Warburg首先观察到金属铁在外加磁场中的热效应。20世纪初,Langevin第一次展示通过改变顺磁材料的磁化强度导致可逆温度变化。1918年Weiss和Piccard从实验中发现Ni的磁热效应。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)3·8H2O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。最初,人们在极低温温区针对液氦、超氦的冷却对顺磁盐磁致冷材料进行了较详细的研究,随后,人们又在低温温区针对液氢等进行了研究。自1976年Brown首次实现了室温磁制冷后,人们才真正开始取得室温磁制冷研究的进展。 2．室温磁制冷研究的简单回顾 1976年，美国宇航局（NASA）的G.V.Brown使用钆板加混有水的酒精作蓄冷剂在超导磁场环境下下首先实现了38度的温差，向人类显示了室温磁制冷的可能性。 1982年，美国的W.A.Steyert和J.A.Barclay提出了主动式磁蓄冷器（AMR）的新概念，为实用化的室温磁制冷做了理论上的准备。 1990年，美国能源部资助NASA和衣阿华州立大学Ames实验室开展基于AMR的室温磁制冷样机研究。在室温磁制冷材料研究上，他们于1997年发现钆硅锗合金具有超过钆的所谓巨磁热效应，给主动式磁蓄冷器找到了用武之地。在室温磁制冷机的研究上，经过近8年的艰苦摸索，1997年人类第一台能长期高效运转的往复式室温磁制冷机宣告问世。其使用的制冷工质是金属钆球，直径在0.1mm~0.3mm之间，重量为3公斤，使用的超导磁场为1.5~5 特斯拉，循环周期为6秒，运转了1500小时。在5特斯拉磁场下工作时热力学完善度达到60%，在1.5特斯拉磁场下工作时则大约为20%。关于其重要性，NASA的Zimn于98年4月在《Science》杂志上说：这项工作可以媲美瓦特发明蒸汽机，它将引发一场工业革命，我们是这段历史的见证人。但这台室温磁制冷原理机使用的是超导磁体，不是能推广使用的永磁体。随后他们就开始着手解决这个问题。 2001年12月7日，他们在互联网上宣布他们的旋转式永磁体室温磁制冷样机研制成功。这是人类第一台旋转式永磁体室温磁制冷机，将成为今后室温磁制冷机的研制的方向。但这台永磁体室温磁制冷机依然使用的是金属钆，而具有更高磁热效能的钆硅锗合金依然没有能够使用起来。 南京大学也在室温磁制冷上做了大量工作，有些工作世界领先。在室温磁制冷材料研究上，于1997年率先发现钙钛矿结构