磁熱效應(yīng)冰箱冷氣將問世 附磁熱效應(yīng)工作原理及開發(fā)前景

• 2018年5月21日 WuYaNan來源：中時電子報 436 22
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  2018-2023年中國冷媒市場深度全景調(diào)研及“十三五”發(fā)展前景預(yù)測報告

  在激烈的市場競爭中，企業(yè)及投資者能否做出適時有效的市場決策是制勝的關(guān)鍵。冷媒行業(yè)研究報告就是為了解行情、分析環(huán)境提供依據(jù)，是企業(yè)了解市場和把握發(fā)展方向的重要手段，是輔助企業(yè)決策的重...

夏天是愈來愈熱了，冷氣也愈來愈重要，不過現(xiàn)在的冷氣都需要壓縮機來循環(huán)冷媒，由冷媒將熱能帶走，因此冷氣的耗電量很大，而且冷媒對環(huán)境也不好。未來的冷氣與冰箱可能以「磁熱效應(yīng)」(Magnetic refrigeration)的原理制作，目前已有2種合適的磁性材料問世。

夏天是愈來愈熱了，冷氣也愈來愈重要，不過現(xiàn)在的冷氣都需要壓縮機來循環(huán)冷媒，由冷媒將熱能帶走，因此冷氣的耗電量很大，而且冷媒對環(huán)境也不好。未來的冷氣與冰箱可能以「磁熱效應(yīng)」(Magnetic refrigeration)的原理制作，目前已有2種合適的磁性材料問世。

下一個大未來(Next big future)報導(dǎo)，「磁熱效應(yīng)」是指磁化材料在磁場中，它的溫度會上升，然而一但它離開了磁場時，溫度卻會降低的現(xiàn)象。這是德國物理學(xué)家艾米爾.溫柏格(Emil Warburg)于1881年用純鐵實驗中發(fā)現(xiàn)，自此之后也有許多人在研究相關(guān)領(lǐng)域，也成功的造出了極低溫。不過一直沒有應(yīng)用在的的冷氣與冰箱上，因為它的體積很大，而且磁化材料也昂貴。

由美國能源部主導(dǎo)的能源效率辦公室，旗下的「卡路里冷」(CaloriCool)材料實驗團隊，找到了2種容易制作的磁化材料，效果比過去的磁化制冷效果還提升50%，他們相信這2種新型制冷磁化材料，可以打造出比現(xiàn)行的氣體壓縮系統(tǒng)更加節(jié)能。

團隊成員之一的美國愛達荷州立大學(xué)教授維大力.貝查斯基(Vitalij Pecharsky)說：「科學(xué)界很早就知道磁熱效應(yīng)，但是磁化材料的昂貴，一直是應(yīng)用到家用電器、空調(diào)系統(tǒng)的重要障礙?，F(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)的這兩種材料，都是由普通元素組成，這意味著一但進入在大規(guī)模生產(chǎn)，制造成本將會相當(dāng)便宜。」

研究小組相信，由磁熱效應(yīng)為主的家用冷氣與冰箱，將會在10年內(nèi)問世，貝查斯基教授說：「磁熱效應(yīng)冰箱，將會像LED迅速取代燈泡那樣，突然在全世界普及。」

磁熱效應(yīng)是磁性物質(zhì)在磁場環(huán)境會發(fā)熱，離開后會變冷的現(xiàn)象。這個原理可以成為不用冷媒的冷氣機。

磁熱效應(yīng)原理：

對于順磁介質(zhì),Ⅹ和K都是正數(shù),磁介質(zhì)的熱容CH也是正數(shù)，故有可見，絕熱地減小磁場時，物質(zhì)的溫度將降低。這種現(xiàn)象叫做磁致冷效應(yīng)。利用絕熱去磁法獲得低溫，就是依據(jù)這一效應(yīng)。因為在沒有磁場時，各個磁活動性離子的角動量取向是混亂的,使得每摩爾分子的熵,除了點陣振動所引起的部分外，又增加了一部分。若將磁介質(zhì)在溫度保持一定的情況下放入強磁場中，磁場將使所有離子的角動量取能量較小的方向,因而減小了系統(tǒng)的熵,這時有熱量ΔQ=ΔS ×T流出磁介質(zhì)。若再絕熱地慢慢減小磁場,使整個過程為可逆過程，則系統(tǒng)的總熵保持不變，但過程中各離子角動量取向引起的熵增加到原來的值，所以與點陣振動相聯(lián)系的那部分熵必然減小，結(jié)果物質(zhì)被冷卻。絕熱去磁法是現(xiàn)代得到低溫的有效方法，可以得到約0.001K的低溫。物質(zhì)的點陣振動和磁矩取向都對系統(tǒng)的熵有貢獻，如先在等溫情形下加外磁場，物質(zhì)被磁化，分子磁矩趨向于一致的排列，對熵的貢獻減小，系統(tǒng)放出熱量;然后在絕熱條件下撤去外磁場，磁矩恢復(fù)為無規(guī)排列，相應(yīng)的熵增加，但由于是絕熱去磁，系統(tǒng)的總熵不變，磁矩的熵的增加是以點陣振動的熵的減少作代價，這導(dǎo)致物質(zhì)的冷卻。絕熱去磁與絕熱去極化一樣可用來獲得低溫 。

應(yīng)用基于"磁熱效應(yīng)"(MCE)的磁制冷是傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)制冷技術(shù)的一種有希望的替代方法。在有這種效應(yīng)的材料中，施加和除去一個外加磁場時磁動量的排列和隨機化引起材料中溫度的變化，這種變化可傳遞給環(huán)境空氣中。Gd5Ge2Si2是其中一種所謂的巨型MCE材料，當(dāng)在上個世紀(jì)90年代后期被發(fā)現(xiàn)時曾引起人們很大興趣。該化合物作為制冷物質(zhì)有一個缺點:當(dāng)在該材料表現(xiàn)出大的磁熱效應(yīng)的溫度范圍內(nèi)循環(huán)其磁化時，它會因磁滯現(xiàn)象而損失大量能量。但是現(xiàn)在，研究人員找到了克服這一問題的一個簡單方法。只是通過添加少量鐵，就可將磁滯現(xiàn)象減少90%，所獲得的合金成為一種性能得到很大改善的制冷物質(zhì)，可在接近室溫的環(huán)境下應(yīng)用。

開發(fā)前景：

在日常生活中，我們通常使用空調(diào)、冰箱和冰柜來制冷，但它們都需要能量驅(qū)動，所消耗的電能占到美國家庭耗電量的1/3。而一項依賴于磁體的全新制冷技術(shù)，能顯著降低這部分能耗。大多數(shù)商業(yè)化制冷機，都是通過反復(fù)壓縮和膨脹氣體或液體制冷劑來制冷。隨著制冷劑的循環(huán)，能將熱量從房間或設(shè)備中吸出帶走。然而，壓縮機的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷氣體泄漏出去的話，它們的每一個分子對大氣層的加熱效率要比一個二氧化碳分子至少高1 000倍。

但是別說把這項技術(shù)實際應(yīng)用于冰箱和冰柜，即便是僅僅制作一臺原型機，也需要跨過許多障礙。首先，如何控制水流通過多孔的楔形體就是個棘手的問題，因為圓盤要以每分鐘360~600轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)。此外，磁體由一種昂貴的釹-鐵-硼合金制成，因此，如果要想商業(yè)化生產(chǎn)，在仍能保持提供足夠強磁場的前提下盡可能小型化也是必要的。正如加拿大維多利亞大學(xué)(University of Victoria)的機械工程師安德魯·羅(Andrew Rowe)所說:"這是一項高風(fēng)險技術(shù)，但它有巨大的應(yīng)用潛力，而且就其突出的性能而言，也值得去努力。"研究人員還在試驗其他一些特殊制冷技術(shù)。美國Sheetak公司，正在研發(fā)一種完全不使用制冷劑的制冷設(shè)備，它依賴于一種所謂的"熱電材料"(thermoelectric material)，基于帕爾特效應(yīng)開發(fā)的熱電半導(dǎo)體制冷芯片，接通直流電后，芯片的一面變冷，另一面變熱。不管怎樣，降低燃料消耗和減少溫室氣體排放總會為我們帶來一個清涼的世界。

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