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(dú)特的味道。

其貌不揚(yáng)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(shí)，空調(diào)中的壓縮機(jī)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(dú)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(yùn)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(jìn)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(diǎn)。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(gè)顆粒內(nèi)部都存在一個(gè)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(shí)，磁矩會重新排列，以適應(yīng)外加磁場的作用，這個(gè)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(shí)，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(diǎn)之下呈現(xiàn)鐵磁性或亞鐵磁性，該溫度點(diǎn)以上呈現(xiàn)順磁性。上面提到的這個(gè)溫度點(diǎn)就是居里溫度（Tc），又稱為磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)，居里溫度點(diǎn)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(diǎn)，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(yùn)含著什么科學(xué)原理呢？實(shí)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(gè)用來度量體系混亂程度的物理量，叫作熵。對于一個(gè)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(shí)，熱熵也就越大。這兩個(gè)熵之和就是磁性材料的總熵。總熵改變時(shí)，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(shí)，并不一定是磁熵和熱熵都不變，有可能是一個(gè)增大，一個(gè)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(shí)現(xiàn)的。為了保持總熵不變，磁熱材料需要處在一個(gè)絕熱環(huán)境中。絕熱環(huán)境就是整個(gè)系統(tǒng)與外界沒有熱量交換，熱量進(jìn)不來也出不去。此時(shí)，給磁性材料施加外磁場時(shí)，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(shí)，熱熵減小，需要吸收熱量，這時(shí)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(gè)原理設(shè)計(jì)成服務(wù)于各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)備，還是需要一番巧妙的構(gòu)思的。

為了實(shí)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(shí)，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(gè)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(dá)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(shí)際應(yīng)用中，磁制冷具有許多獨(dú)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(jī)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(jī)氟化物、氨及碳?xì)浠衔?，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(shí)現(xiàn)冷卻，而不是像傳統(tǒng)方式通過機(jī)械壓縮氣體。這意味著磁制冷可以在非常低的溫度下運(yùn)行，并且消耗的能量較少。磁制冷理論效率可達(dá)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?dú)怏w壓縮機(jī)，運(yùn)動部件少，無振動，零噪聲，可靠性高，壽命長，便于維修；

正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，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(jì)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(shí)《綠色高效制冷行動方案》、應(yīng)對全球氣候變化的關(guān)鍵時(shí)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(diǎn)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(bào)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(jī)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(jī)。如2015年海爾聯(lián)合美國宇航公司在拉斯維加斯世界消費(fèi)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(tuán)隊(duì)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(diǎn)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(tuán)隊(duì)開展了自主可控絕熱去磁樣機(jī)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(jī)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(jī)。室溫磁制冷技術(shù)發(fā)展相對成熟，2017年起，沈俊研究團(tuán)隊(duì)先后研制出系列冷量的室溫樣機(jī)，包括達(dá)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的百瓦級冷量磁制冷樣機(jī)。

2015CES展上的海爾無壓縮機(jī)酒柜，圖源：海爾智家公眾號

不同溫區(qū)的磁制冷機(jī)實(shí)物圖：極低溫絕熱去磁制冷機(jī)（左）、液氦溫區(qū)復(fù)合磁制冷機(jī)（中）與多磁極室溫磁制冷機(jī)（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(shí)驗(yàn)室中使用，造價(jià)也比較昂貴，這說明磁制冷技術(shù)要想走進(jìn)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(bǔ)和協(xié)同創(chuàng)新。當(dāng)前阻礙磁制冷商業(yè)化主要有兩個(gè)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(jià)格昂貴，即使是在稀土資源豐富的中國，也很難將整個(gè)磁制冷機(jī)的造價(jià)降低到和壓縮制冷機(jī)媲美；

二是當(dāng)前磁路設(shè)計(jì)很難將整個(gè)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(jī)，但實(shí)際設(shè)計(jì)中會有永磁磁體或磁性材料的相對運(yùn)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(jìn)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(jìn)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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