室溫磁制冷技術研究新方向
——磁流體制冷

中國礦業大學電力工程學院 張冰 王利偉

室溫磁制冷技術研究新方向
——磁流體制冷

中國礦業大學電力工程學院 張冰 王利偉

自1976年美國Lewis研究中心的G.V.Brown首次在室溫條件下實現了磁制冷以來,磁制冷的溫度范圍開始提高到室溫附近。經過20多年的發展，取得了可喜的成績。目前，在室溫制冷研究領域，國內的許多研究機構大都致力于高磁熱效應固體磁性材料的研究和磁制冷機的研制，不過固體磁制冷工質磁熱效應不夠大、換熱速度不夠快，制約了磁制冷技術的應用。若將納米磁性液體作為磁制冷工質，不僅可以放大磁制冷效應，而且可以強化制冷工質與換熱流體之間的熱交換，對于提高磁制冷效率有著十分重要的作用。因而可以預見以磁流體為制冷工質室溫磁流體制冷將有著廣闊的發展前景。

一、磁流體制冷的基本原理

納米磁性液體又稱磁流體，是一種對磁場敏感，可流動的液體磁性材料。它由3個部分組成：磁性微粒、基液（也稱載液）、表面活性劑。與真的溶液不同，它是把納米數量級（10納米左右）的磁性微粒包裹一層長鏈的表面活性劑，均勻分散在基液中形成的一種穩定的膠體溶液,即使在重力、離心力、磁力作用下也不發生分離。圖1為磁流體組成示意圖。

無外加磁場時,順磁性物質的磁離子的排列是雜亂無章的。然而，順磁性物質消耗功被磁化后，磁離子按一定的順序與磁場平行地規則排列，使磁矩有序化，磁熵減小，溫度上升，并向周圍介質放熱。如果接著在絕熱條件下去除外界作用，則使得磁有序減小，磁熵增大，溫度降低，并向周圍介質吸收熱量。這種磁性微粒系統在磁場的施加與去除過程中所呈現的熱現象稱為可逆磁熱效應，又稱磁熱效應。把這兩個吸熱和放熱過程，用一個循環連接起來，就可使磁性材料不斷從一端吸熱而在另一端放熱，從而達到制冷的目的。這就是順磁性材料絕熱去磁在低溫區獲得磁制冷的原理。在高溫區，是利用鐵磁材料在居里溫度附近等溫去磁，以獲得大的磁熵變進行制冷的。磁流體作為一種具有流體特性的磁性材料，便是通過這個原理來實現制冷。

圖1 磁流體組成示意

二、室溫磁流體制冷循環

常見的磁制冷循環有Carnot循環、Stirling循環、Brayton循環以及Ericsson循環。然而，當溫度高于20K甚至接近室溫時，磁性材料的晶格熵無法忽視，因而室溫磁流體制冷一般采用Ericsson 循環和Brayton 循環。

1． Ericsson 循環。Ericsson 循環用兩個等磁場過程連接等溫排熱和等溫吸熱過程，因而也常被稱為等磁場循環。以圖2的循環制冷機實現Ericsson 循環的4個過程如下：

（1）等溫磁化過程Ⅰ 將外加磁場由H1 增大到H2，這時磁性工質產生的熱量向蓄冷流體排出，上部的蓄冷流體溫度上升。

（2）等磁場過程Ⅱ 外加磁場H2維持不變，磁性工質和電磁體一起向下移動，磁性工質向下移動過程中，不斷地向蓄冷液排放熱量，溫度從T1變化到T2。

（3）等溫去磁過程Ⅲ 保持磁性工質和電磁體靜止不動，將磁場從H2降到H1，磁性工質從下部的蓄冷液吸收熱量。

（4）等磁場過程Ⅳ 維持H1不變，將磁性工質和電磁體一起向上移動，磁性工質從下部的蓄冷液吸收熱量。

圖2 Ericsson 循環

2． Brayton 循環。Brayton循環式由2個等磁場過程和2個絕熱過程組成。圖3為實現Brayton循環的制冷機工作原理圖。其制冷過程如下。

圖3 制冷機工作原理

（1）等磁場過程Ⅰ 納米磁性液體從熱交換器中吸收熱量，溫度升高到。

（3）等磁場過程Ⅲ 在磁場的作用下，納米磁性液體被冷卻，溫度降低到。（4）絕熱過程Ⅳ 納米磁性液體等熵離開磁場，溫度降低到 。

三、影響磁流體制冷效果的因素

影響室溫磁流體制冷性能的因素主要有磁熱效應和磁場強度。不同的磁性微粒物理性質不同，其原子磁矩往往有很大差別，這導致所制備成的磁流體的熱效應也不同，因此選擇恰當的材料是一個關鍵問題。目前受到較多關注的有鑭系稀土金屬Gd、Si、Ge等。

磁性微粒在一定磁化強度下的磁化強度與微粒的直徑有關。當單位體積內磁性微粒的質量一定時，磁性微粒的直徑越小，則磁性微粒的磁化強度越大，而磁性流體的飽和磁化強度x2與磁性微粒的磁化強度I、微粒的直徑d及表面活性劑的厚度δ滿足關系式：

式中ε為比例系數，一般地，ε=0.52左右，r為磁性微粒半徑。

磁流體中磁性微粒的直徑為納米級，遠小于固態磁工質粉末。由以上關系得，磁流體比傳統的磁制冷技術所使用的固態磁性材料具有更大的磁熱效應。同時，磁流體中納米微粒不僅能通過磁矩轉動實現磁化，而且更容易通過微粒的機械轉動來實現磁化，從而放大磁熱效應。

磁流體的磁熱效應也與表面活性劑有關。由于納米粒子體積極小，表面效應非常顯著，當用表面活性劑進行表面處理后，表面活性劑分子與磁性微粒表面層的離子發生化學鍵合，產生了強烈的表面各向異性場，從而造成了磁性微粒磁各向異性常數的增加，提高了磁熱效應。用不同的表面活性劑處理，對磁熱效應的提高程度不同。由此可見，選擇適當的表面活性劑非常重要。

根據Rosensweig的理論預測以及相關實驗的研究，磁熱效應與交變磁場的強度的平方成正比。實驗還發現，當磁場梯度方向與溫度梯度方向一致時，外加磁場強化了磁流體的熱磁對流過程，且當磁場梯度方向、溫度梯度方向以及重力方向三者相同時，磁流體的熱磁對流強度最劇烈。可見，要提高磁流體的熱效應，合離布置磁場梯度方向也是一種有明顯效果的方法。

四、磁流體制冷技術發展需要解決的問題

磁流體制冷技術研究取得了較大進展的同時也面臨著許多問題，因而要進一步加強對室溫磁流體制冷材料及技術的研究和開發。

1．國內對納米磁性液體的磁制冷機理和制冷性能的理論和實驗研究較少。對于制冷性能與磁性液體濃度、磁性顆粒大小、外加磁場強度等參數之間的關系，磁性材料內部的局域自旋、納米磁性顆粒特有的機械轉動磁化與磁熵變化之間的關系的認識尚需進一步加強。

2．磁流體的磁化強度隨著磁性微粒含量的增加而增加。為了獲得高磁化強度的磁性流體，磁性微粒的含量都較高，使得磁性流體的黏度要比其基液的黏度大得多，這勢必會增大管道內部的粘性阻力。因此需要尋找合適的磁性材料，制備出具有高磁熱效應、低表觀粘度的納米磁性液體。

3．由于磁流體的價格較高，而磁流體的費用占據磁流體制冷系統的主要部分，造成系統的初投資較高，限制了磁流體制冷技術的發展。因此需要提高磁流體制備技術，降低磁流體成本。

五、前景展望

隨著當今世界能源危機和全球氣候變暖的發展趨勢，磁流體制冷以其高效和環保的特性必將成為一項極具潛力的新的制冷方式。盡管室溫磁流體制冷技術在世界范圍內已經取得了可喜的進展，但是要真正得到廣泛應用, 還有待于在材料科學和制冷技術領域上取得新突破。伴隨著材料科學的進步和生產加工技術的提高, 利用磁流體制冷技術實現在室溫區段的制冷裝置性能將會有更大的提高和改善，成本將會大大下降,使其替代目前的家用、商用、工業以及其他特殊用途的制冷裝置。