[发明专利]室温附近的稀土磁液体材料及其磁制冷设备

说明书

本发明属于室温附近的稀土磁液体材料及其磁制冷设备。

现在使用的氟氯碳(CFC)传统制冷技术，逸散出的氟氯碳分子破坏地球同温层的臭氧层，严重威胁地球环境。氟氯碳的取代物虽然不破坏臭氧层，但它是产生温室效应的气体，仍然威胁地球环境。

磁制冷技术是利用磁场使制冷工作物质原子的自旋取向空间分布的有序发生变化而引起磁熵变ΔS来实现的。这就是说，若制冷物质绝热去磁，它的温度降低(ΔT_down)，制冷物质绝热磁化，它的温度升高(ΔT_up)；若制冷。物质等温去磁，它吸收热量(TΔS)，制冷物质等温磁化，它放出热量(TΔS)，这就是磁热效应。它是磁制冷技术的基础。对于磁性材料来说，在居里温度附近，其磁热效应最显著。因此，室温附近磁制冷技术所适用的磁制冷物质是居里温度在室温附近的磁性材料。美国专利5,934,078、5,734,095、5,249,424、4,459,811、4,408,463、4,332,135、4,392,356、4,069,028等所采用的磁制冷物质是固体材料[如：金属Gd，合金Gd₅(Si_xGe_1-x)₄等]。中国专利CN 1,065,294 A所提出的磁制冷物质也是固体材料La_1-xR_x(Fe_1-y-zM_yAl_z)₁₃(其中M为Ti、V、O、Cr、Mn、Co、Ni等，R为稀土元素)。对于这种固体材料，为了完成制冷的循环过程，必须有一种液体介质同固体磁制冷材料进行热交换。这是一种固体-液体热交换方式。在技术上，它比液体-液体或液体-气体热交换方式复杂的多，而且热交换效率也低得多。因此，若采用固体材料作为制冷物质，则磁制冷设备的制造工艺及机械结构都将复杂化。

美国宇航公司和埃姆兹实验室采用金属Gd作为磁制冷物质研制成功室温磁制冷样机。但是，它的工作条件要求较高的磁场(5特斯拉)。这样高的磁场只能用超导磁体才能产生。这就使磁制冷技术难以进行商品化开发。

美国专利5,231,834和5,641,424等用磁液体取代固体磁性材料作为磁制冷工作物质。由于磁液体的循环过程通过液体-液体热交换方式来实现所以避免了固体磁制冷工作物质所存在的制冷设备的制造工艺及机械构造复杂化的问题。但是，以磁液体作为磁制冷工作物质，磁性材料在磁液体中的有效成分降低，因此，也面临许多困难。

在磁液体中，磁性颗粒的浓度不可能是百分之百，如果磁性颗粒的浓度为α(α＜1，例如α＝0.2)，则磁液体的绝热退磁温降(或绝热磁化温升)ΔT_液，大约只等于磁性颗粒相应的固体材料绝热退磁温降(或绝热磁化温升)ΔT_固的α倍，即

      ΔT_液≌αΔT_固    

      α＜1，ΔT_液＜ΔT_固也就是说，磁液体的绝热退磁温降(或绝热磁化温升)ΔT_液比相应的固体材料绝热退磁温降(或绝热磁化温升)ΔT_固要小得多。因此，用磁液体作为磁制冷工作物质是很困难的。

我们新发现了一个重要的物理现象，即磁液体能够放大磁热效应，在磁场H＝1.4特斯拉的条件下，在235-330K的温度范围内，我们测量了Fe₃O₄磁液体和Fe₃O₄粗粉末的绝热退磁温降ΔT，分别得到了Fe₃O₄磁液体和Fe₃O₄粗粉末的ΔT-T曲线，如图1所示。测量结果表明，Fe₃O₄磁液体的ΔT明显大于Fe₃O₄粗粉末的ΔT，尤其在273-330K温度范围内，Fe₃O₄粗粉末的ΔT≤0.03K，而Fe₃O₄磁液体的ΔT＝0.4-0.7K，也就是说，在273-330K温度范围内，磁液体将ΔT放大10倍以上。可见，磁液体中磁性颗粒的浓度虽然低于1，但磁液体的磁热效应比相应的固体材料还要大。