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。

基本介绍

概念定义

磁制冷的发展方向

基本介绍

这是利用磁热效应的制冷方式。

早在1907年郎杰斐（P.Langevin）就注意到：顺磁体绝热去磁过程中，其温度会降低。从机理上说，固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热量。这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应。1927年德贝（Debye）和杰克（Giauque）预言了可以利用此效应制冷。1933年杰克实现了绝热去磁制冷。从此，在极低温领域（mK级至16K范围）磁制冷发挥了很大作用。现在低温磁制冷技术比较成熟。美国、日本、法国均研制出多种低温磁制冷冰箱，为各种科学研究创造极低温条件。例如用于卫星、宇宙飞船等航天器的参数检测和数处理系统中，磁制冷还用在氦液化制冷机上。而高温区磁制冷尚处于研究阶段。但由于磁制冷不要压缩机、噪声小，小型、量轻等优点，进一步扩大其高温制冷应用很有诱惑力，目前十分重视高温磁制冷的开发。

概念定义

磁制冷就是利用磁热效应，又称磁卡效应 (MagnetoCaloric Effect) 的制冷.磁热效应是指融制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时温度降低，从外界吸收热量的现象.磁制冷技术中的制冷工质是固态的磁性材料.我们知道，物质由原子构成，原子由电子和原子核构成，电子有自旋磁矩还有轨道磁矩，这使得有些物质的原子或离子带有磁矩. JI顶磁性材料的离子或原子磁矩在无外磁场时是杂乱无章的，加外磁场后，原子的磁矩沿外磁场取向排列，使磁矩有序化，从而减少材料的磁惰，因而会向外放出热量;而一旦去掉外磁场，材料系统的磁有序减小，磁恼增大，因而会从外界吸收热量.磁'脑是温度和磁场的函数，如果把这样两个绝热去磁引起的吸热过程和绝热磁化引起的放热过程用一个循环连接起来，通过外加磁场，有意识地控制磁惰，就可使得磁性材料不断地从一端吸热而在另一端放热，从而达到制冷的目的。

(1)

不同的磁介质产生的附加磁场情况不同，附加磁场与原磁场方向相同的磁介质为顺磁体（如铁、锰）；附加磁场与原磁场方向相反的磁介质为抗磁体（如铋、氢等）。磁感应强度单位是特斯拉（Tesla），用符号T表示，量纲为N/Am。

依热力学方法讨论磁制冷。设物体的磁矩为 物体在磁场H中磁矩增加 时，磁场对物体作功为 。该过程中物体吸热 ，内能增加 。则由热力学第一定律有

(2)

式中 ----- 真空磁导率，；

―― ----- 磁场强度，A/m；

―― ----- 磁矩，。

将式(2)与熟知的气体热力学第一定律表达式 相类比。磁系统中的相当于气体系统中的压力 ； 则相当于体积 。并类似地引出磁熵 的概念。用 图可以描述磁性物体的磁热状态，反映出物体温度T、磁熵与磁场B（常用磁感应强度代替磁场度H）三者之者的关系。

低温磁制冷

在16K以下的极低温区，由于固体的晶格振动和传导电子的热运动可以忽略，故磁离子系统的磁熵变近似等于整个固体的总熵变这种情况下，磁制冷采用卡诺循环，磁材料用稀土顺磁盐。

磁制冷卡诺循环如图1所示。它由四个过程组成：

1－2 为等温磁化（排放热量）；

2－3 为绝热退磁（温度降低）；

3－4 为等温退磁（吸收热量制冷）；

4－1 为绝热磁化（温度升高）。

已开发出的磁材料有：钆镓石榴（Gd3Ga5O12）、镝铝石榴石（Dy3Al5O12）、钆镓铝石榴石（Gd3（Ga1-xAl2）5O12,x=(0.1~0.4)。其制冷温度范围：(4.2~20)K。

正在开发的磁材料有：Ral2和RNi2(R代表Gd,Dy,Ho,Er等重稀土)。其制冷温度范围：（15~77）K。

磁制冷装置 首先需要有超导强磁体，用于产生强度达(4~7)T的磁场。用旋转法实现循环：将钆镓石榴石（磁介质）做成小球状，充填入一个空心圆环中。使圆环绕中心轴旋转，转到冰箱外的半环受磁场作用，磁化放热；转到冰箱内的半环退磁，吸热制冷。日本川崎公司研究的这类转动式磁制冷机需要的最大磁场强度为4.5T；旋转速度为0.72r/min；制冷温度达(4.2~11.5)K；制冷量为0.12w。

高温磁制冷

温度20K以上，特别是近室温附近，磁性离子系统热运动大大加强，顺磁盐中磁有序态难以形成，它在受外磁场作用前后造成的磁系统熵变大大减小，磁热效应也大大减弱。所以，进入高温区制冷，低温磁制冷所采用的材料和循环都不适用。

图2 高温磁制冷循环的 图

图2示出金属钆（Gd）在(200~300)K条件下的 图。如图若按卡诺循环制冷（图中 ），则温降很小。故这时应采用艾里克森循环（Ericsson），如图中12341所示。它由四个过程组成：1－2为等温磁化；2－3为等磁场过程（温度降低）；3－4为等温退磁（吸热制冷）；4－1为等磁场过程（温度上升）。

布朗用7T的磁场和金属钆，按上述循环成功地从室温制取到－30℃的低温。布朗的实验装置如图3所示。将金属钆板（磁材料）浸在蓄冷筒的蓄冷液体（水+乙二醇溶液）中。利用磁场变化配合蓄冷筒上下运动实现循环。图3中示出了一个周期的变化过程。经过多次反复，筒体上部达到323K；下部达到243K。

目前，力图使高温磁制冷实用公的研究包括以下主要方面：①寻找合适的磁材料（工质）。它应具有的特点是：离子磁矩大、居里点接近室温、以较小磁场（例如1T）作用与除去作用时能够引起足够大的磁熵变（即磁热效应显著）。现已研制出一系列稀土化合物作磁制冷材料，如R-Al,R-Ni,R-Si等系列的物质（其中R代表稀元素），还有复合型磁制冷物质（由居里点不同的几种材料组成）。②外磁场。需采用高磁通密度的永磁体。③研究最合适的磁循环并解决实现循环所涉及到的热交换问题。

磁制冷的发展方向

目前，磁制冷主要应用在极地温和液化氦等小规模的装置中。虽然诸多原因的限制使磁制冷基础理论尚未成熟，但磁制冷终将因其高效、无污染等特点成为未来颇具 潜力的一种新的制冷方式，而对磁制冷循环理论的拓深必能大力推进磁制冷技术在太空开发和民用技术中的应用，为磁制冷开辟更加广阔的前景。

此外，磁制冷冰箱已研制成功

根据实验得知，电冰箱和空调装置使用的制冷剂——氟利昂会污染环境，而用磁制冷原理制作的冰箱这不仅不会破坏环境，而且效率要比用氟利昂制冷高40%，其成本低25%。

另外，磁制冷在空间和核技术等国防领域也有广泛的应用前景：在这个领域里要求冷源设备的重量轻、振动和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期长、工作温 度和冷量范围广。磁制冷机完全符合这些条件，例如冷冻激光打靶的氘丸，核聚变的氘和氚丸，红外元件的冷却，磁窗系统的冷却，扫雷艇超导磁体的冷却等。