磁制冷的相关背景知识.docx

1、磁制冷的背景知识
磁制冷是一种全新的制冷技术，磁制冷使用的是固态工质，它具有较大的密度，与通常的压缩气体制冷方式相比，磁制冷机的体积较小。磁制冷机利用磁场变化来取代压力变化，所以在整个系统中省去了压缩机等运动机械，因此结构相对简单，振动和噪音也大幅降低。另一方面，固态工质使得所有的热交换能在液态和固态之间进行，因而磁制冷机的功耗低，效率高，此外磁制冷技术最突出的优点是不再使用对大气臭氧层有破坏作用的氟里昂作制冷剂，因此被称为无污染的绿色环保制冷技术。
可见在追求绿色环保的今天，开发、研究和利用以磁制冷材料为先导的磁制冷
技术已成为当前制冷工程中一项重要课题。
2、磁制冷的基本原理
当把磁性物质放入磁场时，磁矩沿磁化方向择优取向，在等温条件下，导致材料的磁熵下降，有序度增加，磁性材料向外界放热；当磁场强度减弱时，由于磁性粒子的热运动，其磁矩又开始磁制冷，是指以磁热材料为工质的一种新型的制冷技术，其基本原理是借助磁制冷材料的磁热效应，即磁制冷材料在等温磁化时向外界放出热量，而在等温退磁时从外界吸收热量。磁性物质是由具有磁矩的磁性粒子组成的物体，它具有一定的热运动或振动，当没有外加磁场时磁性物质内磁矩的取向是无规则的，此时相应的磁熵较大，恢复到无序状态，等温的条件下磁熵增加，磁性材料从外界吸收热量，从而达到制冷的目的。
1. 其具体原理如图a-b过程是磁热材料在外磁场作用下的励磁过程此时磁热材料的磁矩由无序到有序，磁熵增大；b-c过程是磁热材料在等磁矩下向外界放热；同理c-d过程是磁热材料的退磁过程此时磁热材料的磁矩由有序到无序，磁熵增减小；然后d-a过程是磁热材料在等磁矩下向外界吸热，在整个循环中磁工质向外界吸收的热量大于其向外放出的热量，最终达到使外界温度降低。

3 磁制冷的几种循环过程
磁制冷循环是将磁性材料在高温环境加磁场放热和在低温环境退磁场吸热过程连接起来，而实现的制冷过程。根据不同的连接方式，可分为四种不同的循环方式：布雷顿循环，卡诺循环，斯特林循环及埃克森循环
3.1 卡诺循环

卡诺循环是最理想的过程：
由等温放热，绝热退磁， 等温吸热
和绝热磁化四个过程组成。
如图B-A 等温吸热；A-D 绝热退磁；D-C 等温放热；C-B 绝热磁化。ABCD所围成的面积即为此循环的制冷量。

特点：
在绝热中熵不变，对低温区（T<20K)
可忽略晶格熵，但高温区，特别是对于接
近室温区，此时晶格震动剧烈，晶格熵较大，不能忽略，因此可参与制冷
的有效熵（即磁熵）变小，则卡诺循环就不再适用
所以，需要增加蓄冷器来提高其效率（可冷却
晶格体系，消去热负载，所以制冷区域
宽）。
3.2布雷诺循环
包括等磁化放热，绝热退磁
等磁化吸热，绝热磁化过程
B-A 绝热退磁；C-B 等磁吸热；D-C 绝热磁化；A-D 等磁化放热。
ABCD所围成的面积即为此循环的制冷量

特点
等磁场过程
循环中磁工质从外界获取或排出熵，并且温度上
升或下降，两等熵过程，系统熵保持不变
外加磁场增大，磁工质温度上升，有较好
的回热，并可获得较大温差，所以研
究广泛。
而且它兼顾卡诺循环可埃里克森
循环的优点，制冷温跨大，
回热过程短。其绝热退磁与
绝热磁化过程不需要回热。
3.3斯特林循环
包括等温磁化，等磁矩冷却，
等温退磁和等磁矩升温过程
A-D 等磁矩放热；D-C 等温磁化；C-B 等磁矩吸热；B-A 等温退磁。
此时A-D过程放出的热量正好为过程C-B所吸收；在S-T图上C-B过程与坐标轴T所围成的面积等于A-D过程与坐标轴T所围成的面积；这样循环只在等温退磁过程B-A从热源吸热，在
等温磁化D-C向冷源放热，即ABCD所围成的面积同样为此循环的制冷量

特点
包括等温磁化，等磁冷却，
等温退磁和等磁矩升温过程。主要通过等温
磁化，向高温热源放热，经过等磁化强度去
磁，再进一步等温去磁，从低温热源吸热，
最终以等磁化强度过程结束。
其主要不同于卡诺的是在等磁
矩过程中系统的磁熵发生变化，
两个回热过程吸放热量相等。
其制冷系数=理想卡诺系数，理想选型。
3.4埃里克森循环
包括等温磁化，等磁场冷却
等温退磁和零磁场下温度回升这
四个过程
B-A 等温磁化；C-B 等磁化吸热；D-C 等温退磁；A-D 等磁化放热
ABCD所围成的面积即为此循环的制冷量

特点
从低温源吸热，高温端放热。由于
两个等磁场强度过程从回热器吸热和向回热器
放热不等，致使其制冷系数小于同样温度下磁
卡诺循环的制冷系数，所以不具有理想回热。
但它有较大温差，操作简单。
（两个等温两个等场）
高温区，磁工质晶格熵很大，
埃里克森循环克服了大的晶格熵
的影响。制冷幅度可达
到几十K。
四磁热效应的热力学基础
根据热力学理论，磁热效应是通过磁场的作用，使磁熵发生改变而导致材料温度的变化。磁性材料在磁场为H，温度为T，压力为P的体系中，其热力学性质可用Gibbs自由能G（H，T，P）来描述
磁系统的吉布斯(Gibbs)自由能G（H，T，P）写成全微分的形式就是
dG=VdP-SdT-μ0MdH
注：因磁性材料为固体，可忽略体积膨胀，不考虑压力P的影响)
dG=-SdT-μ0MdH
由体系的Gibbs函数微分可得到：
磁熵
SM，T=∂G∂TH （1）
磁化强度
MT，H=1μ0∂G∂TT （2）

熵的全微分
dS=∂S∂THdT+∂S∂HTdH （3）
=CHTdT+∂M∂THdH （3）
在恒定磁场下，定义磁比热CH
CH=T∂S∂TH （4）
由方程（1），（2）可以得到
1μ0∂S∂HT=∂M∂TH （5）
式（5）就是Maxwell关系，将(4)、(5)式代入(3)式得：
dS=CHTdT+μ0∂M∂THdH （6）
对于(6)式作如下讨论：
1》等温条件下，dT=0，
dS=μ0∂M∂THdH （7）

对(7)式积分可求得磁熵变∆Sm
∆SmT，H=SmT，H-SmT，H=0=-μ0OH∂M∂THdH （8）
实际计算中把积分转变成求和进行计算，即：

∆SmT，∆H=-μ0iMi-Mi+1Ti-Ti+1∆Hi （9）

其中Mi和Mi+1分别是温度为Ti和Ti+1，外磁场为Hi时的磁化强度，△Hi为所加外磁场的步长。
2》在绝热条件下，dS=0;
dT=-μ0TCH∂M∂THdH (10)
积分可求得绝热温变∆Tad
∆Tad=-μ0OHμ0TCH∂M∂THdH （11）

3》等磁场条件下，dH=0
dS=CHTdT （12）
制冷能力（简称RCP）：在曲线中△Sm-T，在半峰宽的温度范围内所夹的面积，表示为
RCP=TcoldThot∆Sm（T）dT （13）
如果通过实验测得M（T，H）及CH（H，T），根据式（9），（11），（13）可求得∆Sm，∆Tad，RCP