6-1-磁制冷技术

TianjinUniversityofCommerce第6章、低温技术研究进展§6-1磁制冷技术§6-2气体节流（膨胀）低温制冷机§6-3回热式低温制冷机BACKTianjinUniversityofCommerce16:172§6-1磁制冷技术1、绝热去磁制冷原理顺磁性物质：磁性物质在磁场中产生的附加磁场与原磁场的方向相同抗磁性物质：磁性物质在磁场中产生的附加磁场与原磁场的方向相反磁制冷机中所采用的均是顺磁性物质。BACKTianjinUniversityofCommerce16:1731、绝热去磁制冷原理无外磁场作用时：磁矩方向杂乱无章在外磁场作用下：磁矩顺序规则排列去除外界磁场磁矩恢复无序放出热量吸收热量在绝热条件下：T↓外加磁场去除磁场BACKTianjinUniversityofCommerce16:1742、磁制冷技术的发展历程1881：Warburg首先发现磁热效应1905：Lengeriz首次展示通过改变顺磁材料的磁化强度导致可逆温度变化1926、1927：Debye、Gianque从理论上推导出可以利用绝热去磁制冷1933：Gianque成功制取1K低温Gianque、MacDougall获得了诺贝尔奖BACKTianjinUniversityofCommerce16:1752、磁制冷技术的发展历程1933～1963:T1K－－绝热去磁制冷1963：出现稀释制冷机1976：Brown首次实现室温磁制冷，人们开始转向高性能室温磁制冷材料的研究BACKTianjinUniversityofCommerce16:1763、磁制冷的热力循环卡诺（Carnot）循环斯特林（Stirling）循环布雷顿（Brayton）循环埃里克森（Ericsson）循环BACKTianjinUniversityofCommerce16:177卡诺（Carnot）循环A→B：等温磁化B→C：绝热去磁C→D：等温去磁D→A：绝热磁化BACKTianjinUniversityofCommerce16:178斯特林（Stirling）循环两个等温过程两个非绝热去磁过程BACKTianjinUniversityofCommerce16:179布雷顿（Brayton）循环两个等磁过程两个绝热过程BACKTianjinUniversityofCommerce16:1710埃里克森（Ericsson）循环两个等温过程两个等磁过程BACKTianjinUniversityofCommerce16:1711四种磁制冷循环的比较名称优点缺点应用Carnot结构简单，可靠性高，效率高温度跨度小，外磁场强度高，操作复杂20KStirling可得到中等温度跨度要求H/T=const.，外磁场操作复杂，需要蓄冷器20KEricsson可得到大温度跨度,外磁场操作简单蓄冷器、外部换热器要求高，效率较低20KBlayton可得到最大温度跨度，可用不同外场蓄冷器、外部换热器要求高20KBACKTianjinUniversityofCommerce16:1712卡诺（Carnot）循环制冷机（1）顺磁盐被充入容器中的气体氦冷却，这时液氦浴中的氦蒸发，氦蒸气被真空泵抽走，从而使其温度保持在1K左右；阀门LHeGHe顺磁盐BACKTianjinUniversityofCommerce16:1713卡诺（Carnot）循环制冷机（2）在温度保持不变的情况下，顺磁盐被磁化，磁化过程中产生的热量由容器中的氦气传给液氦BACKTianjinUniversityofCommerce16:1714卡诺（Carnot）循环制冷机（3）将氦气从容器4中抽出，以形成绝热环境BACKTianjinUniversityofCommerce16:1715卡诺（Carnot）循环制冷机（4）去掉磁场，顺磁盐被去磁，温度下降。BACKTianjinUniversityofCommerce16:17164、磁制冷的特点使用固态制冷剂，体积小用磁场变化取代压力变化，结构简单，振动、噪声小，无污染液、固换热效率高环保制冷剂BACKTianjinUniversityofCommerce16:17175、磁制冷技术的研究现状及发展磁制冷工质的研究磁制冷机的研究低温区（20K）磁制冷技术的研究已很成熟，成为低温制冷的一个重要方法高温区磁制冷还处于实验研究开发阶段，特别是80K～室温磁制冷的研究是当前磁制冷研究的热点BACKTianjinUniversityofCommerce16:1718磁制冷工质的研究20K以下温区：磁卡诺循环氦液化Gd3Ga5O12（GGG）、Dy3Al5O12（DAG）占主导地位GGG适于1.5K以下，特别是10K以下优于DAG在10K以上特别是在15K以上DAG明显优于GGG钆镓镝BACKTianjinUniversityofCommerce16:1719磁制冷工质的研究20K～80K温区：磁埃里克森循环液化氢、氮RAl2，RNi2型材料及一些重稀土元素单晶多晶材料（R＝Er，Ho，Dy）铒钬BACKTianjinUniversityofCommerce16:1720磁制冷工质的研究80K～室温区：当前人类致力的目标1976：Brown采用金属钆首先实现了室温磁制冷，制冷温差达80K，但未能实用化：需超导磁场，稀土金属钆居里温度单一、价格昂贵等重稀土及其合金：Ga，Tb，Dy，Ho，Er稀土－过渡金属化合物：Gd，Si，Ge钙钛矿氧化物铽锗BACKTianjinUniversityofCommerce16:1721磁制冷机的研究静止型磁制冷机：磁铁和磁工质都静止，通过外部电路产生交变（脉冲）磁场往复型磁制冷机：磁体相对于恒定磁场发生上下往复运动旋转型磁制冷机，磁体相对于恒定磁场发生旋转运动令人遗憾的是，室温磁致冷机的研究目前未取得很大的突破用永磁取代超导磁体以简化结构降低成本已经引起广泛重视