磁體也能制冷？神奇的黑科技制冷技術！

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

當你汗流浹背時，空調中的壓縮機不斷地工作，空調為你送來絲絲涼意，但也產生了嗡嗡的噪聲，惹人心煩。

然而，有一種制冷技術像“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的一種制冷技術。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，進而產生冷量。

那么，什么樣的材料才會有磁熱效應呢？

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

當磁性材料被放置在外加磁場中時，磁矩會重新排列，以適應外加磁場的作用，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鐵磁性或亞鐵磁性，該溫度點以上呈現順磁性。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，這使得磁制冷技術應用十分廣泛，從室溫到極低溫都有不同的應用。

磁熱效應究竟是如何發(fā)生的呢？磁矩取向和熱效應又有什么關系呢？它們之間又蘊含著什么科學原理呢？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

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?？傡馗淖儠r，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。

磁熱效應正是通過磁熵和熱熵之間的“此消彼長”來實現的。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，但要將這個原理設計成服務于各個領域的設備，還是需要一番巧妙的構思的。

為了實現磁制冷過程，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，就使熱量流動形成了一個閉環(huán)。一次次的循環(huán)往復，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)境有害的化學物質，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，磁制冷技術被廣泛應用于航空航天、醫(yī)療、電子等領域。根據應用溫區(qū)，磁制冷主要應用于極低溫溫區(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、冰箱等）。

磁制冷的應用，作者自制

目前，我國制冷空調行業(yè)的工業(yè)總產值超過10000億元，且制冷用電量超過全國總用電量的15%，是當之無愧的能耗大戶。當前廣泛使用的制冷劑大多具有較大的溫室效應，制冷劑泄漏導致的排放是我國溫室氣體的重要組成部分。而現在，制冷空調行業(yè)正處于落實《綠色高效制冷行動方案》、應對全球氣候變化的關鍵時期。磁制冷作為一種零碳能源制冷技術，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的方案之一。

制冷空調行業(yè)耗電量預測及各領域節(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，國內外已經有很多科研機構與龍頭企業(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/中國科學院理化技術研究所沈俊教授團隊自2012年起開展了全溫區(qū)磁制冷技術的研究工作。

隨著空間探測等前沿科學應用需求增加，極低溫絕熱去磁制冷憑借不依賴重力、結構緊湊、制冷效率高等優(yōu)點成為了空間探測、量子技術、凝聚態(tài)物理等前沿科學的關鍵技術。

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，構建了復疊式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，當前還集中在磁熱材料成分調控磁熱性能的研究中，整機流程和架構研究相對較少。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相結合，構建了復合式低溫磁制冷機。室溫磁制冷技術發(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，包括達到產業(yè)化應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)復合磁制冷機（中）與多磁極室溫磁制冷機（右）

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

在磁制冷應用研究中，需要材料科學與工程、工程熱物理和制冷工程等多學科的交叉互補和協(xié)同創(chuàng)新。當前阻礙磁制冷商業(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；

二是當前磁路設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將會得到進一步發(fā)展和應用，它將會成為未來制冷領域的一大利器。

作者：李振興 北京理工大學助理研究員，北京制冷學會青年委員

沈俊 北京理工大學教授，國家杰青，北京制冷學會青年委員

蘇秀 北京理工大學碩士研究生

供稿：北京制冷學會