磁體也能制冷？神奇的黑科技制冷技術(shù)！

隨著氣溫的升高，空氣里充斥著夏日獨特的味道。

其貌不揚的外表，外熱內(nèi)冷的“心”，空調(diào)是夏日續(xù)命神器中當(dāng)之無愧的C位。

(資料圖片僅供參考)

當(dāng)你汗流浹背時，空調(diào)中的壓縮機不斷地工作，空調(diào)為你送來絲絲涼意，但也產(chǎn)生了嗡嗡的噪聲，惹人心煩。

然而，有一種制冷技術(shù)像“魔法”一樣，在變化磁場下，能悄無聲息地降低溫度，這就是磁制冷。

磁制冷技術(shù)是一種獨特而有趣的冷卻方式，它能夠高效、環(huán)保地為我們提供制冷效果，在諸多領(lǐng)域有著極大潛力。今天，讓我們一起揭開磁制冷的神秘面紗，來看看它是如何運作的。

（圖源：素材中國）

PART.1

什么是磁制冷？

磁制冷是基于磁熱效應(yīng)的一種制冷技術(shù)。你可以想象一塊磁性材料在外加磁場作用下，溫度發(fā)生變化，進而產(chǎn)生冷量。

那么，什么樣的材料才會有磁熱效應(yīng)呢？

首先，我們需要了解磁性材料的基本特點。從微觀角度來看，磁性材料通常由許多微小的磁性顆粒組成，每個顆粒內(nèi)部都存在一個磁矩，它是由電子的自旋和軌道角動量決定的。這些顆粒之間的排列常有四種狀態(tài)，對應(yīng)四種磁性：鐵磁性、亞鐵磁性、順磁性和反鐵磁性。

磁性材料分類，作者自制

當(dāng)磁性材料被放置在外加磁場中時，磁矩會重新排列，以適應(yīng)外加磁場的作用，這個重新排列過程稱為磁矩取向。

順磁性材料是具有自發(fā)磁矩的材料，它們的磁矩總是沿著外加磁場方向取向。無外加磁場時，它對外呈現(xiàn)出順磁性；在外加磁場作用下，它的磁矩沿著外加磁場有序排列，對外呈現(xiàn)出鐵磁性。

除了外加磁場，溫度也會使磁矩重新排列，大部分磁性材料都是某一溫度點之下呈現(xiàn)鐵磁性或亞鐵磁性，該溫度點以上呈現(xiàn)順磁性。上面提到的這個溫度點就是居里溫度（Tc），又稱為磁性轉(zhuǎn)變點，居里溫度點決定了磁性材料所能服役的溫區(qū)。不同的磁性材料有不同的居里溫度點，這使得磁制冷技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，從室溫到極低溫都有不同的應(yīng)用。

磁熱效應(yīng)究竟是如何發(fā)生的呢？磁矩取向和熱效應(yīng)又有什么關(guān)系呢？它們之間又蘊含著什么科學(xué)原理呢？實際上，磁矩的排列就像我們的房間一樣，不常收拾就會變得越來越混亂，而在物理學(xué)里，有一個用來度量體系混亂程度的物理量，叫作熵。對于一個孤立系統(tǒng)而言，混亂程度越高，熵越高，反之熵越低。

熵與混亂程度，圖源：千庫網(wǎng)

磁性材料主要有兩種熵：磁熵和熱熵。磁熵是指磁矩的有序無序性；熱熵則是指組成物質(zhì)的分子或原子的振動方式，振動方式越多，越劇烈時，熱熵也就越大。這兩個熵之和就是磁性材料的總熵。總熵改變時，可能是磁熵或熱熵的改變，也有可能兩者都在變化；而總熵不變時，并不一定是磁熵和熱熵都不變，有可能是一個增大，一個減小。

磁熱效應(yīng)正是通過磁熵和熱熵之間的“此消彼長”來實現(xiàn)的。為了保持總熵不變，磁熱材料需要處在一個絕熱環(huán)境中。絕熱環(huán)境就是整個系統(tǒng)與外界沒有熱量交換，熱量進不來也出不去。此時，給磁性材料施加外磁場時，磁矩排列整齊，磁熵減小，那么熱熵就會變大，會放出熱量；相反，去掉磁場時，熱熵減小，需要吸收熱量，這時就起到了制冷的效果。聽起來高深莫測的磁制冷，不過是此消彼長的“蹺蹺板游戲”而已。

磁熱效應(yīng)原理，作者自制

磁制冷的基本原理雖然簡單，但要將這個原理設(shè)計成服務(wù)于各個領(lǐng)域的設(shè)備，還是需要一番巧妙的構(gòu)思的。

為了實現(xiàn)磁制冷過程，需要使用到磁性材料、磁場源和熱交換器等組件。

首先，在絕熱環(huán)境下，施加外加磁場會使磁性材料發(fā)生磁矩取向變化，并釋放熱量，隨后，熱量會通過熱交換器從散熱器排出；去除磁場時，磁性材料溫度降低，與被制冷的物體相比，磁性材料溫度更低，因此磁性材料會吸收被制冷物體中的熱量，使其溫度降低。這樣循環(huán)往復(fù)，就使熱量流動形成了一個閉環(huán)。一次次的循環(huán)往復(fù)，使得被制冷物體的熱量不斷被吸走，達到了制冷的效果。

磁制冷系統(tǒng)原理圖，作者自制

PART.2

高效節(jié)能的磁制冷

在實際應(yīng)用中，磁制冷具有許多獨特的優(yōu)勢：

1）綠色環(huán)保。磁制冷不需要使用任何對環(huán)境有害的化學(xué)物質(zhì)，這與傳統(tǒng)的壓縮機制冷方式存在著顯著的差異，傳統(tǒng)方式需要利用制冷劑來吸收和釋放熱量，這些制冷劑中包含一些有機氟化物、氨及碳氫化合物，他們有著破壞臭氧層、有毒、易泄漏、易燃、易爆等損害環(huán)境的缺陷；

2）高效節(jié)能。磁制冷系統(tǒng)通過磁場變化來實現(xiàn)冷卻，而不是像傳統(tǒng)方式通過機械壓縮氣體。這意味著磁制冷可以在非常低的溫度下運行，并且消耗的能量較少。磁制冷理論效率可達到卡諾循環(huán)效率的60～70％，而氣體壓縮制冷一般為 20～40％。也就是說，在其他條件相同的情況下，磁制冷的耗電量只有傳統(tǒng)壓縮制冷冰箱的50%左右；

3）穩(wěn)定可靠。磁制冷不需要氣體壓縮機，運動部件少，無振動，零噪聲，可靠性高，壽命長，便于維修；

正是因為這些優(yōu)點，磁制冷技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域。根據(jù)應(yīng)用溫區(qū)，磁制冷主要應(yīng)用于極低溫溫區(qū)（＜1 K，如量子計算等）、低溫區(qū)（如核磁共振成像、氣體液化等）和室溫區(qū)（如空調(diào)、冰箱等）。

磁制冷的應(yīng)用，作者自制

目前，我國制冷空調(diào)行業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值超過10000億元，且制冷用電量超過全國總用電量的15%，是當(dāng)之無愧的能耗大戶。當(dāng)前廣泛使用的制冷劑大多具有較大的溫室效應(yīng)，制冷劑泄漏導(dǎo)致的排放是我國溫室氣體的重要組成部分。而現(xiàn)在，制冷空調(diào)行業(yè)正處于落實《綠色高效制冷行動方案》、應(yīng)對全球氣候變化的關(guān)鍵時期。磁制冷作為一種零碳能源制冷技術(shù)，綠色環(huán)保、高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點使其有望成為替代室溫蒸氣壓縮制冷技術(shù)的方案之一。

制冷空調(diào)行業(yè)耗電量預(yù)測及各領(lǐng)域節(jié)電量占比，圖源：2022年綠色制冷行業(yè)研究報告

PART.3

為什么磁制冷

還沒有商業(yè)化？

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多科研機構(gòu)與龍頭企業(yè)爭先恐后地展出了不同溫區(qū)磁制冷樣機。如2015年海爾聯(lián)合美國宇航公司在拉斯維加斯世界消費者電子展銷會上展示的世界上首臺室溫磁制冷酒柜，北京理工大學(xué)/中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所沈俊教授團隊自2012年起開展了全溫區(qū)磁制冷技術(shù)的研究工作。

隨著空間探測等前沿科學(xué)應(yīng)用需求增加，極低溫絕熱去磁制冷憑借不依賴重力、結(jié)構(gòu)緊湊、制冷效率高等優(yōu)點成為了空間探測、量子技術(shù)、凝聚態(tài)物理等前沿科學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)。

沈俊教授研究團隊開展了自主可控絕熱去磁樣機研制工作，構(gòu)建了復(fù)疊式ADR（絕熱去磁制冷），獲得了50 mK以下的最低溫度。

低溫磁制冷起步較晚，當(dāng)前還集中在磁熱材料成分調(diào)控磁熱性能的研究中，整機流程和架構(gòu)研究相對較少。由于磁熱材料的絕熱溫變受限，在液氦溫區(qū)通常將磁制冷與其他制冷技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了復(fù)合式低溫磁制冷機。室溫磁制冷技術(shù)發(fā)展相對成熟，2017年起，沈俊研究團隊先后研制出系列冷量的室溫樣機，包括達到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的百瓦級冷量磁制冷樣機。

2015CES展上的海爾無壓縮機酒柜，圖源：海爾智家公眾號

不同溫區(qū)的磁制冷機實物圖：極低溫絕熱去磁制冷機（左）、液氦溫區(qū)復(fù)合磁制冷機（中）與多磁極室溫磁制冷機（右）

雖然已經(jīng)有了許多磁制冷設(shè)備，但目前這些設(shè)備僅在某些工業(yè)領(lǐng)域和實驗室中使用，造價也比較昂貴，這說明磁制冷技術(shù)要想走進千家萬戶，還面臨著一些挑戰(zhàn)。

在磁制冷應(yīng)用研究中，需要材料科學(xué)與工程、工程熱物理和制冷工程等多學(xué)科的交叉互補和協(xié)同創(chuàng)新。當(dāng)前阻礙磁制冷商業(yè)化主要有兩個方面的原因：

一是磁制冷材料常為稀土金屬化合物，生產(chǎn)成本高，價格昂貴，即使是在稀土資源豐富的中國，也很難將整個磁制冷機的造價降低到和壓縮制冷機媲美；

二是當(dāng)前磁路設(shè)計很難將整個裝置在保證制冷效果的前提下縮小到家用的尺寸。

除此之外，雖然磁制冷裝置中沒有壓縮機，但實際設(shè)計中會有永磁磁體或磁性材料的相對運動，不可避免地會產(chǎn)生輕微的噪聲和振動。

然而，這些都是可以克服的問題，隨著科技的不斷進步，科研工作人員的辛苦奮斗，我們有理由相信磁制冷技術(shù)將會得到進一步發(fā)展和應(yīng)用，它將會成為未來制冷領(lǐng)域的一大利器。

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