磁制冷——人类的福音

　　你还在为空调或冰箱嗡嗡的噪声而烦恼吗？你还在为它们产生的破坏性气体（氟利昂）而担忧吗？你还在为它们所带来的巨额电费而不安吗？在不久的将来，一种新的制冷技术将为您排除上述困扰，它就是磁制冷！

　　磁制冷作为一项高效的新型绿色制冷技术，与传统压缩制冷相比具有如下四个方面的优势：首先，无环境污染，由于工质本身为固体材料以及可用水来做为传热介质，消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃、易爆等损害环境的缺陷；其次，高效节能，磁制冷的效率可达到卡诺循环的30%~60%，而气体压缩制冷一般仅为5%~10%，节能优势显著；此外，易于小型化，由于磁工质是固体，其熵密度远远大于气体的熵密度，因而易于做到小型化；最后，稳定可靠，由于无需压缩机，运动部件少且转速缓慢，可大幅降低振动与噪声，可靠性高，寿命长，便于维修。磁制冷技术因具有上述优势以及在室温制冷方面具有巨大的市场前景而受到全球的广泛关注。

　　磁制冷是利用磁性材料在进出磁场时熵变引起的能量变化（即磁热效应），并通过冷热吹的方式将上述能量进行分离、积累的一种制冷技术。磁制冷循环可以分为四个过程：磁化、热吹、退磁和冷吹，如下图所示。磁化过程：磁性材料在受到外加磁场的作用时，原来在热骚动作用下混乱排列的原子磁矩会在磁场方向择优排列，从而对外表现出磁矩增大，磁熵降低的现象，在绝热条件下，该过程会导致磁性材料温度升高，如图（a）所示；热吹过程：磁工质（磁热材料）仍然处在磁场中，换热流体由冷端进入与磁工质进行换热，磁工质温度降低，换热流体温度升高，如图（b）所示；退磁过程：磁工质与磁场分开，磁工质的外加磁场减小，择优取向的原子磁矩又趋于混乱状态，磁工质温度降低，如图（c）所示；冷吹过程：换热流体由热端流入与磁工质进行换热，磁工质温度升高，换热流体温度降低，如图（d）所示。

　　磁制冷样机是磁制冷能够得以实际应用的雏形，它集磁体、冷热端换热器、磁工质以及换热介质、驱动系统于一体。根据磁制冷样机的运行方式，大致可以将其分为两类：往复式磁制冷样机以及旋转式磁制冷样机。在磁制冷样机的几个组成部分中，换热器与驱动系统已比较成熟，目前的研究重点主要集中在磁体与磁工质两个方面，换热介质目前多为水以及水的混合介质。永磁体是未来磁体发展的方向，由于其所提供的最大磁场基本上在2T以内，所以其发展也基本到了瓶颈，目前的研究主要是其结构优化方面。而磁工质方面主要集中在两个方向：合适磁工质的开发以及磁工质结构优化。磁工质可以分为以及磁相变材料和二级相变材料。二级相变材料的特点是居里温度附近温跨范围比较大，但是绝热温变较小；一级相变材料的特点恰好与二级相变材料相反，居里温度附近温跨窄，但是绝热温变大。二级相变材料的典型代表是金属钆（Gd），其加工成型性能特别好，但是价格昂贵，腐蚀性较差，目前研究较少；相比之下，一级相变材料就要便宜很多，但是其加工成型性以及耐蚀性均比较差，比如La(Fe_xSi_1-x)₁₃以及MnFe (P_1-xAs_x)等合金。但是考虑到其低成本以及潜在的巨磁热效应，一级相变材料是磁工质材料研究的重点，主要集中在新型居里温度可调巨磁热效应材料的开发、不同居里温度磁工质的合理布局、磁工质的加工和防腐工艺几个方面。

　　磁制冷目前已成为国内为各位学者研究的热点，在国际上以美国宇航局和通用电气公司、加拿大维多利亚大学、斯诺文尼亚卢布尔雅那大学以及日本东北大学等科研院所为主，而在国内以中科院物理所和宁波材料所、四川大学和南京大学、内蒙古包头研究院以及海尔集团等科研院所为主。为了促进磁制冷的发展，国际上有每两年一度的国际室温磁制冷会议，目前已举办六届，其中2010年第四届室温磁制冷会议在我国内蒙古包头举行。经过国内外学者的不断努力，目前已经取得了骄人的成绩。美国宇航局已经开发出制冷功率在3000W以上的磁制冷样机，通用电气公司以及海尔集团已经实现将磁制冷技术用在冷藏柜方面。下图是海尔集团在2015国际消费类电子产品展览会（CES）展示的全球首款采用磁制冷进行制冷的酒柜。

　　目前，由于各方面的原因，磁制冷的应用只停留在制冷功率以及温跨比较小的领域，比如酒类的冷藏柜等。相信在不久的将来，随着各国学者的不断努力，磁制冷将会实现大温跨、高功率制冷，从而可以取代现有的气体压缩制冷，更好地为人们的生活服务。