室温磁制冷技术研究新方向
——磁流体制冷

中国矿业大学电力工程学院 张冰 王利伟

室温磁制冷技术研究新方向
——磁流体制冷

中国矿业大学电力工程学院 张冰 王利伟

自1976年美国Lewis研究中心的G.V.Brown首次在室温条件下实现了磁制冷以来,磁制冷的温度范围开始提高到室温附近。经过20多年的发展，取得了可喜的成绩。目前，在室温制冷研究领域，国内的许多研究机构大都致力于高磁热效应固体磁性材料的研究和磁制冷机的研制，不过固体磁制冷工质磁热效应不够大、换热速度不够快，制约了磁制冷技术的应用。若将纳米磁性液体作为磁制冷工质，不仅可以放大磁制冷效应，而且可以强化制冷工质与换热流体之间的热交换，对于提高磁制冷效率有着十分重要的作用。因而可以预见以磁流体为制冷工质室温磁流体制冷将有着广阔的发展前景。

一、磁流体制冷的基本原理

纳米磁性液体又称磁流体，是一种对磁场敏感，可流动的液体磁性材料。它由3个部分组成：磁性微粒、基液（也称载液）、表面活性剂。与真的溶液不同，它是把纳米数量级（10纳米左右）的磁性微粒包裹一层长链的表面活性剂，均匀分散在基液中形成的一种稳定的胶体溶液,即使在重力、离心力、磁力作用下也不发生分离。图1为磁流体组成示意图。

无外加磁场时,顺磁性物质的磁离子的排列是杂乱无章的。然而，顺磁性物质消耗功被磁化后，磁离子按一定的顺序与磁场平行地规则排列，使磁矩有序化，磁熵减小，温度上升，并向周围介质放热。如果接着在绝热条件下去除外界作用，则使得磁有序减小，磁熵增大，温度降低，并向周围介质吸收热量。这种磁性微粒系统在磁场的施加与去除过程中所呈现的热现象称为可逆磁热效应，又称磁热效应。把这两个吸热和放热过程，用一个循环连接起来，就可使磁性材料不断从一端吸热而在另一端放热，从而达到制冷的目的。这就是顺磁性材料绝热去磁在低温区获得磁制冷的原理。在高温区，是利用铁磁材料在居里温度附近等温去磁，以获得大的磁熵变进行制冷的。磁流体作为一种具有流体特性的磁性材料，便是通过这个原理来实现制冷。

图1 磁流体组成示意

二、室温磁流体制冷循环

常见的磁制冷循环有Carnot循环、Stirling循环、Brayton循环以及Ericsson循环。然而，当温度高于20K甚至接近室温时，磁性材料的晶格熵无法忽视，因而室温磁流体制冷一般采用Ericsson 循环和Brayton 循环。

1． Ericsson 循环。Ericsson 循环用两个等磁场过程连接等温排热和等温吸热过程，因而也常被称为等磁场循环。以图2的循环制冷机实现Ericsson 循环的4个过程如下：

（1）等温磁化过程Ⅰ 将外加磁场由H1 增大到H2，这时磁性工质产生的热量向蓄冷流体排出，上部的蓄冷流体温度上升。

（2）等磁场过程Ⅱ 外加磁场H2维持不变，磁性工质和电磁体一起向下移动，磁性工质向下移动过程中，不断地向蓄冷液排放热量，温度从T1变化到T2。

（3）等温去磁过程Ⅲ 保持磁性工质和电磁体静止不动，将磁场从H2降到H1，磁性工质从下部的蓄冷液吸收热量。

（4）等磁场过程Ⅳ 维持H1不变，将磁性工质和电磁体一起向上移动，磁性工质从下部的蓄冷液吸收热量。

图2 Ericsson 循环

2． Brayton 循环。Brayton循环式由2个等磁场过程和2个绝热过程组成。图3为实现Brayton循环的制冷机工作原理图。其制冷过程如下。

图3 制冷机工作原理

（1）等磁场过程Ⅰ 纳米磁性液体从热交换器中吸收热量，温度升高到。

（3）等磁场过程Ⅲ 在磁场的作用下，纳米磁性液体被冷却，温度降低到。（4）绝热过程Ⅳ 纳米磁性液体等熵离开磁场，温度降低到 。

三、影响磁流体制冷效果的因素

影响室温磁流体制冷性能的因素主要有磁热效应和磁场强度。不同的磁性微粒物理性质不同，其原子磁矩往往有很大差别，这导致所制备成的磁流体的热效应也不同，因此选择恰当的材料是一个关键问题。目前受到较多关注的有镧系稀土金属Gd、Si、Ge等。

磁性微粒在一定磁化强度下的磁化强度与微粒的直径有关。当单位体积内磁性微粒的质量一定时，磁性微粒的直径越小，则磁性微粒的磁化强度越大，而磁性流体的饱和磁化强度x2与磁性微粒的磁化强度I、微粒的直径d及表面活性剂的厚度δ满足关系式：

式中ε为比例系数，一般地，ε=0.52左右，r为磁性微粒半径。

磁流体中磁性微粒的直径为纳米级，远小于固态磁工质粉末。由以上关系得，磁流体比传统的磁制冷技术所使用的固态磁性材料具有更大的磁热效应。同时，磁流体中纳米微粒不仅能通过磁矩转动实现磁化，而且更容易通过微粒的机械转动来实现磁化，从而放大磁热效应。

磁流体的磁热效应也与表面活性剂有关。由于纳米粒子体积极小，表面效应非常显著，当用表面活性剂进行表面处理后，表面活性剂分子与磁性微粒表面层的离子发生化学键合，产生了强烈的表面各向异性场，从而造成了磁性微粒磁各向异性常数的增加，提高了磁热效应。用不同的表面活性剂处理，对磁热效应的提高程度不同。由此可见，选择适当的表面活性剂非常重要。

根据Rosensweig的理论预测以及相关实验的研究，磁热效应与交变磁场的强度的平方成正比。实验还发现，当磁场梯度方向与温度梯度方向一致时，外加磁场强化了磁流体的热磁对流过程，且当磁场梯度方向、温度梯度方向以及重力方向三者相同时，磁流体的热磁对流强度最剧烈。可见，要提高磁流体的热效应，合离布置磁场梯度方向也是一种有明显效果的方法。

四、磁流体制冷技术发展需要解决的问题

磁流体制冷技术研究取得了较大进展的同时也面临着许多问题，因而要进一步加强对室温磁流体制冷材料及技术的研究和开发。

1．国内对纳米磁性液体的磁制冷机理和制冷性能的理论和实验研究较少。对于制冷性能与磁性液体浓度、磁性颗粒大小、外加磁场强度等参数之间的关系，磁性材料内部的局域自旋、纳米磁性颗粒特有的机械转动磁化与磁熵变化之间的关系的认识尚需进一步加强。

2．磁流体的磁化强度随着磁性微粒含量的增加而增加。为了获得高磁化强度的磁性流体，磁性微粒的含量都较高，使得磁性流体的黏度要比其基液的黏度大得多，这势必会增大管道内部的粘性阻力。因此需要寻找合适的磁性材料，制备出具有高磁热效应、低表观粘度的纳米磁性液体。

3．由于磁流体的价格较高，而磁流体的费用占据磁流体制冷系统的主要部分，造成系统的初投资较高，限制了磁流体制冷技术的发展。因此需要提高磁流体制备技术，降低磁流体成本。

五、前景展望

随着当今世界能源危机和全球气候变暖的发展趋势，磁流体制冷以其高效和环保的特性必将成为一项极具潜力的新的制冷方式。尽管室温磁流体制冷技术在世界范围内已经取得了可喜的进展，但是要真正得到广泛应用, 还有待于在材料科学和制冷技术领域上取得新突破。伴随着材料科学的进步和生产加工技术的提高, 利用磁流体制冷技术实现在室温区段的制冷装置性能将会有更大的提高和改善，成本将会大大下降,使其替代目前的家用、商用、工业以及其他特殊用途的制冷装置。