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磁冷却

日期: 2018 年 5 月 23 日

目前,制造一种在室温范围内运行的紧凑型、环保型、节能型和高度可靠的冰箱非常重要。这项任务是由于对现有冷却系统的一些严重要求。众所周知,在运行目前使用的冰箱时,可能会出现工作气体(制冷剂)的泄漏,从而导致臭氧消耗和全球变暖等严重的环境问题。在可用于冷却装置的多种替代技术中,磁冷却技术越来越受到世界各国研究人员的关注。在欧洲、美国、加拿大、中国和俄罗斯的许多实验室和大学中,磁冷却方面的密集工作处于领先地位。


制冷新闻


磁性冰箱是一种环保设备,可以显着降低功耗。鉴于人类在其活动的各个领域中使用的真正数量庞大的制冷装置,后一种情况极为重要。磁冷却技术是基于任何磁性材料在磁场影响下改变其温度和熵的能力。这种能力在传统冰箱中压缩或膨胀气体或蒸汽时表现出来。这种由于磁场强度的变化而引起的磁性材料的温度或熵的变化称为磁热效应(以下简称为MCE)。


磁性材料的温度变化是磁性物质的内能在其原子的磁矩系统和晶格之间重新分配的结果。 MCE 的最大值是在磁性有序材料中获得的,例如铁磁体、反铁磁体等,位于磁相变温度(磁有序温度 - 居里、尼尔等)。

磁冷却装置的主要优点与高密度的传热材料有关——与蒸汽或气体密度相比,它是一种固体。固体磁性材料每单位体积的熵变化是气体的七倍。这使得可以设计更紧凑的冰箱。磁性工作介质本身类似于传统联合循环制冷设备中使用的制冷剂。此外,退磁-磁化过程类似于压缩-膨胀循环。任何冰箱的效率主要取决于循环期间所做的不可逆功的数量 - 对于有效的设备,它应该尽可能低。在燃气加热冰箱中,有一些设备会产生大量的不可逆功 - 蓄热器、压缩机和热交换器。

许多不可逆的工作在热交换器中完成。它与工作流体温度的绝热变化成正比。它在气体中比在磁性材料中大得多。因此,最有效的散热是通过磁来执行的,特别是在再生制冷循环中。换热器的特殊设计和大表面积蓄热体的使用,使得在磁冷却过程中实现小部分不可逆功成为可能。磁再生冷却循环在 4.5 至 300 温度范围内的有效性 0K 可以是卡诺循环的 38% 到 60%(在 20 到 150 的温度范围内效率约为 52% 0K,大约 85% 在 150 到 300 的范围内 0ķ)。因此,在循环的所有阶段,传热条件将是当今最广为人知的。此外,磁性冰箱包括少量的运动部件,以低频运行,从而最大限度地减少冰箱的磨损并增加其运行时间。


这个问题的年表。磁冷却的基本原理

  1. Warburg 在 1881 年相对很久以前就发现了 MCE。他观察到在磁场的作用下,铁样品是如何加热或冷却的。这位科学家得出的结论是,样品的温度变化是具有磁性结构的物质在磁场影响下内能变化的结果。
然而,距离这一现象的实际应用还有很长的路要走。 Langevin(1905 年)是第一个证明顺磁体的磁化强度变化会导致样品温度发生可逆变化的人。在发现 MCE 近 50 年后,两位美国科学家 Peter Debye(1926 年)和 William Giauque(1927 年)提出了磁冷却本身,作为实现低于液氦沸点的温度的一种模式。 1933 年,Jiok 和 McDougall 率先展示了磁制冷中最简单的实验。不久之后,de Haas(1933 年)和 Kurti(1934 年)也完成了这项实验。在这个实验过程中,温度可以达到 0.25 0K. 另外,作为传热​​物质,泵送液氦用于温度为 1.5 0K.

带有磁性盐的药丸与散热材料处于热平衡状态,而螺线管中存在强磁场。每当螺线管放电时,磁丸就会隔热并降低温度。这种称为绝热退磁冷却的技术是一种标准的实验室技术,用于获得超低温。然而,这种冰箱的容量及其工作温度范围对于工业应用来说太小了。上世纪60年代提出了更复杂的方法,包括热再生和磁场的循环变化。 1976 年,J. Brown(来自 NASA)展示了一种再生磁制冷机,工作温度范围为 50 0K 已经在室温范围内。但是,这种情况下冰箱的功率和效率仍然很低,因为需要通过混合流体散热器来保持温度梯度,并且磁铁充电和放电所需的时间过长。
小型低功率制冷设备于 80 年代和 90 年代在几个研究中心建造:洛斯阿拉莫斯国家实验室、安纳波利斯海军实验室、橡树岭国家实验室、宇航(全美国)、东芝(日本)。目前,美国国家航空航天局的几个研究中心资助了基于绝热退磁操作原理的用于空间应用的紧凑型磁制冷机。美国宇航公司(美国,威斯康星州)和维多利亚大学(加拿大)正在研究磁性制冷机的商业应用可能性。从应用的角度来看,磁性制冷机工作固体材料的研究目前正在由位于魁北克(加拿大)的“艾姆斯实验室”(艾奥瓦州艾姆斯)、位于魁北克(加拿大)的“三河大学”、NIST( Gaithersburg, MD) 和“先进磁技术和咨询”公司 (AMT&C)。
1997 年,“美国航天公司”展示了一种在接近室温下运行的相对强大(600 瓦)的磁制冷机。该冰箱的效率已经与传统氟利昂冰箱的效率相当。该装置采用有源磁回热器(热回热器和工作介质的功能相结合),在室温范围内工作了1500多个小时,功率为600瓦。在 5 特斯拉的磁场下,卡诺循环的效率约为 35%。在这个装置中,它被用作超导螺线管,作为工作固体,钆(Gd)的稀土金属。纯钆不仅被航天部门使用,而且被美国宇航局、海军和其他实验室用于这种能力,这是由于它的磁性,即 - 合适的居里温度(约 293 0K)和相当显着的磁热效应的存在。 MCE 大小以及磁致冷器中冷却过程的效率由磁性工作体的特性决定。
1997 年,艾姆斯研究中心报告在 Gd5 (Si2Ge1-X) 化合物中发现了四种巨磁热效应。这些材料的磁性有序温度可​​以在很宽的范围内变化,从 20 0由于硅 (Si) 和锗 (Ge) 的比例发生变化,K 到室温。目前最有希望用作工作固体的是钆金属、许多基于稀土元素的金属间化合物、硅化物-锗化物系统 Gd5 (Ge-Si) 4 以及 La (Fe-Si ) 13. 使用这些材料可以使冰箱的工作温度范围扩大,经济指标显着提高。必须指出的是,莫斯科大学物理系在几年前就已经完成了寻找用于磁致冷机工作固体的有效合金的开创性工作。这些研究人员最完整的成果载于莫斯科国立大学物理系首席研究员 A.M. 的博士论文中。提西娜,1994 年。
在这项工作的过程中,从寻找在不同温度范围内实现磁冷却的最佳合金的角度分析了稀土和磁性金属及其他材料的多种可能组合。特别是发现,在具有高磁热特性的材料中,化合物Fe49Rh51(铁铑合金)具有最大的比(即每单位磁场)磁热效应。该化合物的特定 MCE 比硅化物-锗化物化合物大几倍。由于成本高且其中没有明显的滞后效应,这种合金不能在实践中使用。然而,它可以作为一种标准来比较正在研究的材料的磁热特性。最后,Science News (v.161, n.1, p.4, 2002) 报道了世界上第一台冰箱电器的诞生(不仅适用于科学用途,也适用于家庭用途)。这种冰箱的工作模型由美国宇航公司和艾姆斯实验室联合制造,并于 2002 年 5 月在底特律举行的 G8 会议上首次展示。拟议的家用磁性冰箱的工作原型在室温范围内工作,并使用永久磁铁作为场源。该装置得到了专家和美国能源部长的高度评价。估计显示,使用磁力冰箱将使美国的总能源消耗减少 5%。计划将磁冷却用于人类活动的各个领域,例如:
  • 氢气液化器,
  • 基于 SQUID 的高速计算机和设备的冷却设备,
  • 用于住宅和工业场所的空调,
  • 车辆的冷却系统,
  • 家用和工业冰箱等
值得注意的是,磁力冰箱工程已经由美国能源部资助了 20 年。  

冰箱结构

在创建的磁性冰箱原型中,使用了旋转轮结构布置。它由一个包含钆粉末的部分以及强大的永磁体组成的轮子。

  

这种结构的设计方式是使轮子滚动通过磁铁的工作间隙,磁场集中在该工作间隙中。当带有钆的片段进入钆的磁场时,就会产生磁热效应——它会升温。这些热量由水冷式热交换器带走。当钆离开磁场区时,产生相反符号的磁热效应并且材料被进一步冷却,冷却热交换器,第二水流在其中循环。实际上,这种流动是用来冻结磁制冷机的冷却室的。这种设备结构紧凑,运行几乎无噪音且无振动,这与目前使用的蒸汽-燃气循环冰箱不同。该技术于 2001 年 9 月首次获批。目前,正在进一步扩大其能力:正在改进商业化生产纯钆及其必要化合物的工艺流程,这将实现更大的价值。成本更低的 MCE。同时,艾姆斯实验室的工作人员建造了一个永磁体,能够产生强大的磁场。新磁体产生的磁场强度是先前磁制冷机结构中的磁体(2001 年)的两倍。这非常重要,因为磁场的大小决定了冰箱的效率和输出功率等参数。已经提交了用于制备工作物质 Gd5 (Si2Ge2) 的化合物和构建永磁体的专利申请。  

优点、缺点和应用

所有磁性冰箱根据使用的磁铁类型可分为两类:
  • 使用超导磁体的系统;
  • 永磁体上的系统。
其中第一个具有较宽的工作温度范围和相对较高的输出功率。例如,它们可用于大型场所的空调系统和食品储存设备。永磁冷却系统的温度范围相对有限(每个循环不超过 303 °K),原则上可用于平均功率(高达 100 瓦)的设备。例如,作为汽车冷却器或便携式野餐冰箱。但是,与传统的联合循环制冷系统相比,它们都具有许多优势:
  • 低环境危害。 工作体是实心的,可以很容易地与环境隔离。用作工作体的镧系金属毒性低,可在设备处理后重复使用。散热介质必须仅具有低粘度和足够的热导率,这与水、氦气或空气的特性很好地对应。它们与环境很好地兼容。
  • 高效率。 与联合循环制冷机工作循环中的蒸汽压缩过程相比,磁热加热和冷却实际上是可逆的热力学过程。理论计算和实验研究表明,磁制冷机组的特点是效率更高,特别是在室温领域,磁制冷机的效率可能比在气体-蒸汽循环中运行的制冷机高 20-30%。未来的磁冷却技术可能非常有效,这将显着降低此类装置的成本。
  • 使用寿命长。 该技术涉及在冷却装置中使用少量运动部件和一些工作频率,从而显着减少它们的磨损。
  • 技术的灵活性。 可以根据目的使用不同设计的磁性冰箱。
  • 冻结的有用特性。 磁技术允许对各种物质(水、空气、化学品)进行冷却和冷冻,但在每种情况下都有微小的变化。相比之下,有效的联合循环冷却循环需要许多单独的阶段或不同工作冷却剂的混合物用于相同的程序。
  • 超导性的发展和永磁体磁性能的提高都在迅速进步。 目前,已有多家知名商业公司成功地致力于改善钕铁硼磁体(最高效的永磁体)的性能,并正在着手建设。随着超导领域的已知进展,这使得人们希望提高磁性制冷机的质量并同时降低它们的价格。

磁冷却的缺点

  • 需要屏蔽磁源;
  • 目前磁场源价格相对较高;
  • 永磁系统的一个冷却循环中的有限温度范围(不超过 303 °K)。