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制冷散热技术[4]:磁制冷

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发表于 2021-8-11 10:20:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
制冷散热技术[4]:磁制冷[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]江苏热管理研究院 [url=]热管理联盟[/url] [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]昨天
磁制冷是利用磁性材料在外加磁场变化下产生的磁热效应来制冷的一种新型制冷技术。它以磁性材料作为制冷工质,基于固体-流体换热技术进行热量的输送和转移,制冷效率可达卡诺循环的30%~60%,具有环境无污染、高效节能的独特优点有望成为重要的革新性前景制冷技术。磁制冷的基本原理是基于磁性材料的磁热.效应磁热效应是指外磁场的变化引起磁性材料内部磁熵改变并伴随着吸热和放热的一种现象,是磁性材料的固有特性,通常用绝热温变和等温磁熵变表征。图1简要说明了磁热效应的原理:电子有自旋磁矩和轨道磁矩,使得材料的原子带有磁矩。具体过程为:不加磁场时,磁性材料内部磁矩的取向是杂乱无序的,此时材料的磁熵较大;施加磁场后,磁性材料被磁化,磁矩沿磁场方向排列,由无序变为有序,材料的磁熵减小,向外界放热;移除磁场时,磁性材料退磁,其磁矩又趋于无序,磁熵增大,从外界吸热,从而达到制冷目的。 图1.png 图1磁热效应示意图
磁制冷技术在医药、生物、储藏、电力电子等行业领域具有重要应用前景。典型的应用案例是磁制冷技术可以实现半导体热电堆热端的散热,如图2所示。半导体热电堆的热端所散发的热量对环管中的局部磁性液体进行加热,在环管中形成热磁循环。流出热端的磁性液体再向周围空气散热,通过磁液的循环流动实现对半导体热电堆热端的散热,有效地提高半导体制冷器的制冷系数。不仅如此,该磁制冷装置还可以作为冷藏器和空调器,应用于家庭、宾馆、车辆、潜艇、航天器,也可应用于生物组织及医药的冷藏、半导体电子设备的冷却以及热电恒温控制器等。
图2.png
图2 半导体热电堆散热装置原理
此外,磁制冷技术也可应用于高效节能长寿命LED路灯的研发。图3是LED路灯制冷散热和恒温系统示意图。该系统在散热器上面设置气液转化空心腔,并将LED灯珠与其对应的磁工质分别安装在气液转化空心腔两侧的平面上,其中磁工质设有励磁装置。当工作温度超过70℃时,励磁装置对磁工质进行磁制冷工作达到散热的目的。当工作温度低于50℃时,励磁装置停止工作,而当工作温度低于LED抗冷极限时,励磁装置对磁工质进行不间歇等温励磁,又可以达到散热器恒温工作的目的。
图3.png
图3 LED路灯制冷散热恒温示意图
磁制冷作为一种具有重要应用潜力的制冷技术,近年来发展迅速。新型制冷技术涉及到多学科交叉融合,目前还有很多问题亟待解决,主要包括材料设计和制备、换热效率提升、零部件选择和布置、系统模块化设计等。随着对磁制冷技术的不断发展,未来必将在白色制冷家电及一些特殊领域得到应用。


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