磁热效应冰箱冷气将问世 附磁热效应工作原理及开发前景

夏天是愈来愈热了，冷气也愈来愈重要，不过现在的冷气都需要压缩机来循环冷媒，由冷媒将热能带走，因此冷气的耗电量很大，而且冷媒对环境也不好。未来的冷气与冰箱可能以「磁热效应」(Magnetic refrigeration)的原理制作，目前已有2种合适的磁性材料问世。

下一个大未来(Next big future)报导，「磁热效应」是指磁化材料在磁场中，它的温度会上升，然而一但它离开了磁场时，温度却会降低的现象。这是德国物理学家艾米尔.温柏格(Emil Warburg)于1881年用纯铁实验中发现，自此之后也有许多人在研究相关领域，也成功的造出了极低温。不过一直没有应用在的的冷气与冰箱上，因为它的体积很大，而且磁化材料也昂贵。

由美国能源部主导的能源效率办公室，旗下的「卡路里冷」(CaloriCool)材料实验团队，找到了2种容易制作的磁化材料，效果比过去的磁化制冷效果还提升50%，他们相信这2种新型制冷磁化材料，可以打造出比现行的气体压缩系统更加节能。

团队成员之一的美国爱达荷州立大学教授维大力.贝查斯基(Vitalij Pecharsky)说：「科学界很早就知道磁热效应，但是磁化材料的昂贵，一直是应用到家用电器、空调系统的重要障碍。现在我们发现的这两种材料，都是由普通元素组成，这意味着一但进入在大规模生產，制造成本将会相当便宜。」

研究小组相信，由磁热效应为主的家用冷气与冰箱，将会在10年内问世，贝查斯基教授说：「磁热效应冰箱，将会像LED迅速取代灯泡那样，突然在全世界普及。」

磁热效应是磁性物质在磁场环境会发热，离开后会变冷的现象。这个原理可以成为不用冷媒的冷气机。

磁热效应原理：

对于顺磁介质,Ⅹ和K都是正数,磁介质的热容CH也是正数，故有可见，绝热地减小磁场时，物质的温度将降低。这种现象叫做磁致冷效应。利用绝热去磁法获得低温，就是依据这一效应。因为在没有磁场时，各个磁活动性离子的角动量取向是混乱的,使得每摩尔分子的熵,除了点阵振动所引起的部分外，又增加了一部分。若将磁介质在温度保持一定的情况下放入强磁场中，磁场将使所有离子的角动量取能量较小的方向,因而减小了系统的熵,这时有热量ΔQ=ΔS ×T流出磁介质。若再绝热地慢慢减小磁场,使整个过程为可逆过程，则系统的总熵保持不变，但过程中各离子角动量取向引起的熵增加到原来的值，所以与点阵振动相联系的那部分熵必然减小，结果物质被冷却。绝热去磁法是现代得到低温的有效方法，可以得到约0.001K的低温。物质的点阵振动和磁矩取向都对系统的熵有贡献，如先在等温情形下加外磁场，物质被磁化，分子磁矩趋向于一致的排列，对熵的贡献减小，系统放出热量;然后在绝热条件下撤去外磁场，磁矩恢复为无规排列，相应的熵增加，但由于是绝热去磁，系统的总熵不变，磁矩的熵的增加是以点阵振动的熵的减少作代价，这导致物质的冷却。绝热去磁与绝热去极化一样可用来获得低温 。

应用基于"磁热效应"(MCE)的磁制冷是传统的蒸汽循环制冷技术的一种有希望的替代方法。在有这种效应的材料中，施加和除去一个外加磁场时磁动量的排列和随机化引起材料中温度的变化，这种变化可传递给环境空气中。Gd5Ge2Si2是其中一种所谓的巨型MCE材料，当在上个世纪90年代后期被发现时曾引起人们很大兴趣。该化合物作为制冷物质有一个缺点:当在该材料表现出大的磁热效应的温度范围内循环其磁化时，它会因磁滞现象而损失大量能量。但是现在，研究人员找到了克服这一问题的一个简单方法。只是通过添加少量铁，就可将磁滞现象减少90%，所获得的合金成为一种性能得到很大改善的制冷物质，可在接近室温的环境下应用。

开发前景：

在日常生活中，我们通常使用空调、冰箱和冰柜来制冷，但它们都需要能量驱动，所消耗的电能占到美国家庭耗电量的1/3。而一项依赖于磁体的全新制冷技术，能显著降低这部分能耗。大多数商业化制冷机，都是通过反复压缩和膨胀气体或液体制冷剂来制冷。随着制冷剂的循环，能将热量从房间或设备中吸出带走。然而，压缩机的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷气体泄漏出去的话，它们的每一个分子对大气层的加热效率要比一个二氧化碳分子至少高1 000倍。

但是别说把这项技术实际应用于冰箱和冰柜，即便是仅仅制作一台原型机，也需要跨过许多障碍。首先，如何控制水流通过多孔的楔形体就是个棘手的问题，因为圆盘要以每分钟360~600转的速度高速旋转。此外，磁体由一种昂贵的钕-铁-硼合金制成，因此，如果要想商业化生产，在仍能保持提供足够强磁场的前提下尽可能小型化也是必要的。正如加拿大维多利亚大学(University of Victoria)的机械工程师安德鲁·罗(Andrew Rowe)所说:"这是一项高风险技术，但它有巨大的应用潜力，而且就其突出的性能而言，也值得去努力。"研究人员还在试验其他一些特殊制冷技术。美国Sheetak公司，正在研发一种完全不使用制冷剂的制冷设备，它依赖于一种所谓的"热电材料"(thermoelectric material)，基于帕尔特效应开发的热电半导体制冷芯片，接通直流电后，芯片的一面变冷，另一面变热。不管怎样，降低燃料消耗和减少温室气体排放总会为我们带来一个清凉的世界。