磁制冷技术的环保价值及其巨大应用市场

磁制冷是一种以磁性材料为制冷工质借助磁性材料本身的磁热效应来实现制冷的新技术。磁热效应是指磁性材料在变化的外磁场中磁矩的有序度发生变化引起熵变所产生的热冷效应。与传统的气体制冷相比，磁制冷机减少了高耗能的压缩机装置，所以磁制冷的制冷效率远高于传统的气体压缩制冷，最好的蒸汽压缩制冷机的效率大概为理想卡诺循环的40%，而磁制冷机的效率可以达到60%，显著节省能源，并且具有体积小、振动和噪音小、运行时平稳可靠，寿命长等优点；更为重要的是，该技术是利用固体磁热材料作为制冷工质，无氟利昂、氨等制冷剂，无环境污染，对臭氧层无破坏作用，不产生温室效应，满足绿色环保的要求。磁制冷能够应用在空调、冰箱、保温设备等制冷设备，因其耗能低、无污染等优点，是替代目前使用的气体制冷技术的理想制冷技术。这类制冷设备的使用量是非常巨大的，以电冰箱为例，我国每年产量有几千万台，使用氟利昂制冷剂的制冷设备都要逐步淘汰，更新使用无氟制冷设备，这是室温磁制冷技术应用的一个巨大市场。随着人们生活水平的提高，空调器等制冷设备的市场也越来越大。据估算，如果磁制冷能够替代现有制冷设备的1%，磁制冷的产值就超过31亿元。这些数字说明磁制冷设备具有巨大的市场。近些年，国内外许多企业，特别是一些著名大型企业，包括中国的海尔集团（2015年海尔公司首次展示了它所研发的基于磁制冷技术的无压缩机酒柜），都看到了磁制冷的前景，加入到磁制冷的研发队伍中来。另外，磁制冷在空间和核技术等国防领域也有广泛的应用前景。在这个领域里要求冷源设备重量轻、振动和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期长、工作温度和制冷量范围广，磁制冷机完全符合这些条件，例如核聚变设备中器件的冷却，扫雷艇超导磁体的冷却等。 磁制冷的机理是，磁性物质在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强，磁熵减小，对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降，磁熵增大，又要从外界吸收热量。磁制冷的实现取决于磁热材料的性能，因此，研发具有优异磁热性能的材料是推广磁制冷技术的关键。室温磁制冷材料的选择标准首先是有较大的等温磁熵变和绝热温变；还要有合适的居里温度，能确保最大磁熵变在室温温区内获得；有较大的磁熵密度和调节温宽；有较小的热滞和磁滞；有较高的电阻率可避免涡流损耗和相应的热量产生；有高的导热率和低的比热，能确保工质有快速的热交换；性能稳定、易于加工、造价低、绿色无毒、安全环保等。最近由北京科技大学研发的Ni40Co10Mn40Sn10合金，在室温附近获得了14.9J/kg·K的磁嫡变和高达33K的工作温度窗口，并最终获得了251J/kg的有效磁制冷能力值，有望在室温磁制冷方面获得很广的应用前景。