磁体也能制冷？神奇的黑科技制冷技术！

来源：光明网
时间：2023-08-19 17:55:19

随着气温的升高，空气里充斥着夏日独特的味道。

其貌不扬的外表，外热内冷的“心”，空调是夏日续命神器中当之无愧的C位。

(资料图片)

当你汗流浃背时，空调中的压缩机不断地工作，空调为你送来丝丝凉意，但也产生了嗡嗡的噪声，惹人心烦。

然而，有一种制冷技术像“魔法”一样，在变化磁场下，能悄无声息地降低温度，这就是磁制冷。

磁制冷技术是一种独特而有趣的冷却方式，它能够高效、环保地为我们提供制冷效果，在诸多领域有着极大潜力。今天，让我们一起揭开磁制冷的神秘面纱，来看看它是如何运作的。

（图源：素材中国）

PART.1

什么是磁制冷？

磁制冷是基于磁热效应的一种制冷技术。你可以想象一块磁性材料在外加磁场作用下，温度发生变化，进而产生冷量。

那么，什么样的材料才会有磁热效应呢？

首先，我们需要了解磁性材料的基本特点。从微观角度来看，磁性材料通常由许多微小的磁性颗粒组成，每个颗粒内部都存在一个磁矩，它是由电子的自旋和轨道角动量决定的。这些颗粒之间的排列常有四种状态，对应四种磁性：铁磁性、亚铁磁性、顺磁性和反铁磁性。

磁性材料分类，作者自制

当磁性材料被放置在外加磁场中时，磁矩会重新排列，以适应外加磁场的作用，这个重新排列过程称为磁矩取向。

顺磁性材料是具有自发磁矩的材料，它们的磁矩总是沿着外加磁场方向取向。无外加磁场时，它对外呈现出顺磁性；在外加磁场作用下，它的磁矩沿着外加磁场有序排列，对外呈现出铁磁性。

除了外加磁场，温度也会使磁矩重新排列，大部分磁性材料都是某一温度点之下呈现铁磁性或亚铁磁性，该温度点以上呈现顺磁性。上面提到的这个温度点就是居里温度（Tc），又称为磁性转变点，居里温度点决定了磁性材料所能服役的温区。不同的磁性材料有不同的居里温度点，这使得磁制冷技术应用十分广泛，从室温到极低温都有不同的应用。

磁热效应究竟是如何发生的呢？磁矩取向和热效应又有什么关系呢？它们之间又蕴含着什么科学原理呢？实际上，磁矩的排列就像我们的房间一样，不常收拾就会变得越来越混乱，而在物理学里，有一个用来度量体系混乱程度的物理量，叫作熵。对于一个孤立系统而言，混乱程度越高，熵越高，反之熵越低。

熵与混乱程度，图源：千库网

磁性材料主要有两种熵：磁熵和热熵。磁熵是指磁矩的有序无序性；热熵则是指组成物质的分子或原子的振动方式，振动方式越多，越剧烈时，热熵也就越大。这两个熵之和就是磁性材料的总熵。总熵改变时，可能是磁熵或热熵的改变，也有可能两者都在变化；而总熵不变时，并不一定是磁熵和热熵都不变，有可能是一个增大，一个减小。

磁热效应正是通过磁熵和热熵之间的“此消彼长”来实现的。为了保持总熵不变，磁热材料需要处在一个绝热环境中。绝热环境就是整个系统与外界没有热量交换，热量进不来也出不去。此时，给磁性材料施加外磁场时，磁矩排列整齐，磁熵减小，那么热熵就会变大，会放出热量；相反，去掉磁场时，热熵减小，需要吸收热量，这时就起到了制冷的效果。听起来高深莫测的磁制冷，不过是此消彼长的“跷跷板游戏”而已。

磁热效应原理，作者自制

磁制冷的基本原理虽然简单，但要将这个原理设计成服务于各个领域的设备，还是需要一番巧妙的构思的。

为了实现磁制冷过程，需要使用到磁性材料、磁场源和热交换器等组件。

首先，在绝热环境下，施加外加磁场会使磁性材料发生磁矩取向变化，并释放热量，随后，热量会通过热交换器从散热器排出；去除磁场时，磁性材料温度降低，与被制冷的物体相比，磁性材料温度更低，因此磁性材料会吸收被制冷物体中的热量，使其温度降低。这样循环往复，就使热量流动形成了一个闭环。一次次的循环往复，使得被制冷物体的热量不断被吸走，达到了制冷的效果。

磁制冷系统原理图，作者自制

PART.2

高效节能的磁制冷

在实际应用中，磁制冷具有许多独特的优势：

1）绿色环保。磁制冷不需要使用任何对环境有害的化学物质，这与传统的压缩机制冷方式存在着显著的差异，传统方式需要利用制冷剂来吸收和释放热量，这些制冷剂中包含一些有机氟化物、氨及碳氢化合物，他们有着破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃、易爆等损害环境的缺陷；

2）高效节能。磁制冷系统通过磁场变化来实现冷却，而不是像传统方式通过机械压缩气体。这意味着磁制冷可以在非常低的温度下运行，并且消耗的能量较少。磁制冷理论效率可达到卡诺循环效率的60～70％，而气体压缩制冷一般为20～40％。也就是说，在其他条件相同的情况下，磁制冷的耗电量只有传统压缩制冷冰箱的50%左右；

3）稳定可靠。磁制冷不需要气体压缩机，运动部件少，无振动，零噪声，可靠性高，寿命长，便于维修；

正是因为这些优点，磁制冷技术被广泛应用于航空航天、医疗、电子等领域。根据应用温区，磁制冷主要应用于极低温温区（＜1K，如量子计算等）、低温区（如核磁共振成像、气体液化等）和室温区（如空调、冰箱等）。

磁制冷的应用，作者自制

目前，我国制冷空调行业的工业总产值超过10000亿元，且制冷用电量超过全国总用电量的15%，是当之无愧的能耗大户。当前广泛使用的制冷剂大多具有较大的温室效应，制冷剂泄漏导致的排放是我国温室气体的重要组成部分。而现在，制冷空调行业正处于落实《绿色高效制冷行动方案》、应对全球气候变化的关键时期。磁制冷作为一种零碳能源制冷技术，绿色环保、高效节能、稳定可靠的优点使其有望成为替代室温蒸气压缩制冷技术的方案之一。

制冷空调行业耗电量预测及各领域节电量占比，图源：2022年绿色制冷行业研究报告

PART.3

为什么磁制冷

还没有商业化？

目前，国内外已经有很多科研机构与龙头企业争先恐后地展出了不同温区磁制冷样机。如2015年海尔联合美国宇航公司在拉斯维加斯世界消费者电子展销会上展示的世界上首台室温磁制冷酒柜，北京理工大学/中国科学院理化技术研究所沈俊教授团队自2012年起开展了全温区磁制冷技术的研究工作。

随着空间探测等前沿科学应用需求增加，极低温绝热去磁制冷凭借不依赖重力、结构紧凑、制冷效率高等优点成为了空间探测、量子技术、凝聚态物理等前沿科学的关键技术。

沈俊教授研究团队开展了自主可控绝热去磁样机研制工作，构建了复叠式ADR（绝热去磁制冷），获得了50mK以下的最低温度。

低温磁制冷起步较晚，当前还集中在磁热材料成分调控磁热性能的研究中，整机流程和架构研究相对较少。由于磁热材料的绝热温变受限，在液氦温区通常将磁制冷与其他制冷技术相结合，构建了复合式低温磁制冷机。室温磁制冷技术发展相对成熟，2017年起，沈俊研究团队先后研制出系列冷量的室温样机，包括达到产业化应用的百瓦级冷量磁制冷样机。

2015CES展上的海尔无压缩机酒柜，图源：海尔智家公众号

不同温区的磁制冷机实物图：极低温绝热去磁制冷机（左）、液氦温区复合磁制冷机（中）与多磁极室温磁制冷机（右）

虽然已经有了许多磁制冷设备，但目前这些设备仅在某些工业领域和实验室中使用，造价也比较昂贵，这说明磁制冷技术要想走进千家万户，还面临着一些挑战。

在磁制冷应用研究中，需要材料科学与工程、工程热物理和制冷工程等多学科的交叉互补和协同创新。当前阻碍磁制冷商业化主要有两个方面的原因：

一是磁制冷材料常为稀土金属化合物，生产成本高，价格昂贵，即使是在稀土资源丰富的中国，也很难将整个磁制冷机的造价降低到和压缩制冷机媲美；

二是当前磁路设计很难将整个装置在保证制冷效果的前提下缩小到家用的尺寸。

除此之外，虽然磁制冷装置中没有压缩机，但实际设计中会有永磁磁体或磁性材料的相对运动，不可避免地会产生轻微的噪声和振动。

然而，这些都是可以克服的问题，随着科技的不断进步，科研工作人员的辛苦奋斗，我们有理由相信磁制冷技术将会得到进一步发展和应用，它将会成为未来制冷领域的一大利器。

作者：李振兴北京理工大学助理研究员，北京制冷学会青年委员

沈俊北京理工大学教授，国家杰青，北京制冷学会青年委员

苏秀北京理工大学硕士研究生

供稿：北京制冷学会