幾種制冷技術機理的研究

1、邯鄲學院本科畢業(yè)論文題 目 幾種制冷技術機理的研究學 生 張晶指導教師 鄭燕 講師年 級 2009 級專 業(yè) 物理學二級學院 物理與電氣工程系（系、部） 邯鄲學院 物理與電氣工程系2011年5月鄭重聲明 本人的畢業(yè)論文是在指導教師鄭燕老師的指導下獨立撰寫完成的。如有剽竊、抄襲、造假等違反學術道德、學術規(guī)范和侵權的行為，本人愿意承擔由此產生的各種后果，直至法律責任，并愿意通過網絡接受公眾的監(jiān)督。特此鄭重聲明。 畢業(yè)論文作者（簽名）： 年 月 日摘 要 本文詳細闡述了四種不同的制冷技術，即吸收式制冷、激光制冷、半導體制冷、磁制冷。在闡述這四種制冷技術機理的同時對它們各自的特點、應用領域、研究現狀和

2、未來的發(fā)展前景作了簡單的介紹并將其作了優(yōu)略比較。關鍵詞 吸收式制冷 激光制冷 半導體制冷 磁致冷Mechanism of several refrigeration technologyZhang Jing Driected by Lecturer. Zheng YanAbstract This paper describes four different types of refrigeration technology, the absorption chiller, laser cooling, semiconductor refrigeration, magnetic refriger

3、ation. In explaining the mechanism of the four while cooling technology and their features, applications, current status and future prospects are briefly made them excellent introduction to a little comparison.Key Words Absorption refrigeration Laser cooling Semiconductor refrigeration Magnetic refr

4、igeration II目 錄摘 要IAbstractII1引言12背景介紹13吸收式制冷13.1吸收式制冷的原理13.2吸收式制冷技術的應用24激光制冷24.1 激光制冷原理24.2數學表述34.3激光制冷技術的發(fā)展與現狀35半導體制冷45.1半導體制冷原理及特點45.2半導體制冷技術的應用56磁制冷56.1磁制冷的基本原理56.2磁熱效應（MCE）的表征參數及測試方法66.3磁制冷機的研究進展76.4開發(fā)磁制冷技術需解決的問題77四種制冷技術優(yōu)略的比較87.1原理及制冷效率的比較87.2材質及制冷裝置的比較87.3應用領域的比較87.4四種不同制冷技術的特點88展望9參考文獻9致 謝10幾

5、種制冷技術機理的研究1引言隨著科學技術的發(fā)展,制冷技術已滲透到從日常生活到衣、食、住、行到尖端科技的各個領域。100多年來,新的制冷技術層出不窮、飛速發(fā)展,本文將簡單介紹目前的主流制冷技術。由于對環(huán)境保護的需要和不同行業(yè)對制冷的不同要求，制冷業(yè)也開始走向多元化。為了解決以上問題，制冷業(yè)在近幾年有了很大的發(fā)展，吸收式制冷利用熱源作為制冷原動力無噪音、壽命長。激光制冷技術在空間技術和航空航天領域有著獨特的優(yōu)勢。半導體制冷適用于許多高新尖技術領域，磁制冷在極低溫下發(fā)揮了很好的作用。制冷行業(yè)的發(fā)展正在不斷滿足我們社會發(fā)展的不同需求。2背景介紹制冷技術的發(fā)展史分為三個階段。第一階段(從l830年一l93

6、0年)：主要采取、空氣等自然物質作為制冷劑，在制冷工藝中主要采取蒸汽壓縮制冷，卡諾逆循環(huán)在其中得到了很大的應用，該階段持續(xù)了一百年之久。隨著CFCS和HCFCS作為制冷劑(即氟里昂)使用，進入了制冷技術發(fā)展的第二個階段(從l930年一l990年)。在這一階段一系列適應不同工作溫度范圍的氟里昂制冷劑迅速應用到制冷領域，大大促進了制冷和空調技術的發(fā)展。然而科學研究表明，人類活動排入大氣中的一些溴氯氟烷烴等化學物質進入臭氧層與臭氧發(fā)生化學反應，將導致臭氧損耗，也就是說廣泛用于冰箱和空調制冷的氟里昂對臭氧層的破壞作用是不可忽略的。臭氧層中臭氧含量的減少，導致大量的紫外線毫無阻擋地照射到地表，嚴重損害動

7、植物的基本結構，降低生物生產量，導致氣候和生態(tài)環(huán)境發(fā)生異變，尤其是對人體健康造成重大損害。鑒于以上原因，各國開始計劃淘汰氟利昂的使用，并不斷的開發(fā)和鼓勵使用新的制冷擠、研發(fā)新的制冷技術。本文將1990年到現在制冷技術的發(fā)展視為第三個歷史階段。這一階段，為了解決環(huán)境問題和適應不同制冷行業(yè)的需求，出現了新的制冷劑和新的制冷技術。本文除了介紹傳統(tǒng)的吸收式制冷，還將重點介紹磁致冷和半導體制冷。103吸收式制冷吸收式制冷是利用液態(tài)制冷劑在低溫、低壓條件下，蒸發(fā)、汽化吸收載冷劑的熱負荷，產生制冷效應，因此被稱為吸收式制冷。3.1吸收式制冷的原理由克拉珀龍方程可知,沸點和壓強之間一般存在如下關系:沸點隨壓強

8、的增加而升高,隨壓強的減小而降低。根據這一特性人們制造出了一種吸收式制冷機,現在以一款常見機型說明其原理。在發(fā)生器內加熱氨水濃溶液,分解出氨氣和部分水蒸氣(圖1) ,通過熱虹吸管進入汽液分離器。分離出的稀溶液重新返回吸收器,氨氣和部分水蒸氣則沿管道上升。水蒸氣通過精餾器時被冷凝分離然后返回發(fā)生器,氨氣則繼續(xù)上升至冷凝器冷凝成液態(tài)氨。液氨流入蒸發(fā)器,與其中的高壓氫氣相遇。在蒸發(fā)器內一定的總壓力下,氨的分壓力驟然下降,液態(tài)氨立即沸騰、蒸發(fā)吸熱,使機內溫度下降。蒸發(fā)的氨氣擴散到氫氣中,形成氨氫混合氣體,并沿氣體熱交換器管道向下流動進入吸收器。吸收器中的氨被由汽液分離器返回的氨- 水稀溶液所吸收,變成

9、氨水濃溶液流回發(fā)生器。剩下的氫氣由于密度小,便向上流回蒸發(fā)器。如此不斷循環(huán),便獲得了連續(xù)的制冷效果。熱交換器發(fā)生器氣液分離器精餾器蒸發(fā)器吸收器圖 氨水的吸收式制冷圖吸收式制冷機的最大特點是利用熱源作為制冷原動力,因吸收式制冷機沒有壓縮機,所以無噪音、壽命長、不易發(fā)生故障。但在使用時機器一定要水平放置,周圍應留有足夠空間散熱,環(huán)境溫度也不能太高,否則會影響制冷效果。3.2吸收式制冷技術的應用吸收式制冷與蒸汽壓縮制冷的原理相同，都是利用液態(tài)制冷劑在低溫，低壓條件下，蒸發(fā)，汽化吸收載冷劑的熱負荷，產生制冷效應。不同的是，吸收式制冷是利用制冷劑與吸收劑組成的二元溶液為工質對完成制冷循環(huán)的，可供考慮使用

10、的制冷劑與吸收劑溶液很多，但較為常用的只有氨水溶液，溴化鋰水溶液。由于氨具有刺激性臭味，且氨水吸收式制冷機熱效率低，體積龐大，故一般用于工業(yè)工藝過程。目前，應用最廣泛的就是溴化鋰吸收式機組。吸收式制冷所需的驅動能源是熱能，可以為蒸汽，燃料的燃燒熱，熱水，工業(yè)或生活余熱，太陽能，地熱能等。隨著吸收式制冷研究的進展，技術的不斷進步與國家能源結構的調整，溴化鋰吸收式機組的應用主要集中在熱電冷聯產、直燃型吸收式冷熱水機組、蒸汽型吸收式冷水機組、熱水型吸收式冷水機組、太陽能吸收式機組等方面。4激光制冷激光制冷技術利用了反斯托克斯熒光制冷?？梢援a生反斯托克斯熒光的材料必須具有發(fā)光中心，發(fā)光中心是指在某種條

11、件下能夠發(fā)射光子的原子、分子、離子和缺陷，這些發(fā)光中心吸收能量較低的光子，然后發(fā)射能量更高的熒光光子，兩種光子之間的能量差來自材料的熱激發(fā)，而這種能差會隨著熒光的反斯托克斯發(fā)射將能量從材料帶走，從而實現了對材料的制冷。這種吸收能量較低的光子后發(fā)射能量較高的光子的過程稱為反斯托克斯熒光過程，所發(fā)射的熒光稱為反斯托克斯熒光。4.1 激光制冷原理激光制冷利用高相干、高單色性和高能量密度的激光作為激發(fā)光進行泵浦，如圖1 所示，這個過程可以描述如下：當發(fā)光中心受到光激發(fā)，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的較低能態(tài)子能級；激發(fā)態(tài)的Stark 劈裂能級間的距離最大只有幾個kT，k為玻耳茲曼常數，T為制冷時的絕對溫度。由于

12、激發(fā)躍遷，激發(fā)態(tài)劈裂能級間的熱平衡被破壞，在極其短暫的時間內(幾個皮秒或更快)，這些劈裂能級通過吸收聲子，重新達到熱平衡；處于激發(fā)態(tài)的粒子會快速以輻射躍遷的方式弛豫到基態(tài)能量較低的劈裂能級，熒光輻射弛豫一般發(fā)生于納秒到毫秒量級的時間尺度內，比激發(fā)態(tài)之間的熱平衡要慢得多；由于輻射躍遷，基態(tài)劈裂能級間的熱平衡也被破壞，發(fā)生與過程相似的熱弛豫。Fluoresence emission PhotonabsorptionExcited state HeatabsorptionGround state圖4.1 原子的熒光制冷過程示意圖Fig.1 Diagram of the atomic processe

13、s that produce Fluorescent cooling由于發(fā)射的熒光光子的平均能量比吸收的激發(fā)光子的平均能量大，這個能量差就是受激能級之間達到熱平衡所需要的熱吸收，并且被固體材料所發(fā)射的熒光帶走，造成了制冷效應。半導體材料激光制冷的基本原理與此略有差異1：泵浦光子與半導體材料相互作用產生冷的自由載流子（電子與空穴），然后在極短的時間內（皮秒量級），自由電子與空穴通過聲子散射吸收材料晶格內部的熱量，這樣冷的自由載流子就轉變?yōu)闊岬淖杂奢d流子，最后熱的載流子通過復合形成能量更高的光子放出，從而實現了半導體材料的激光冷卻。通過反斯托克斯熒光發(fā)射對介質材料進行激光制冷必須具備以下條件：材料

14、具有光致發(fā)光的熒光中心；長波長的光為激發(fā)光，短波長的光為發(fā)射光；發(fā)光中心的輻射躍遷的量子效率接近100%，即要求介質具備比較寬的能級間距，具有非常高的純凈度，從而抑制無輻射馳豫所引起的熱效應；基態(tài)和激發(fā)態(tài)中的多重態(tài)間的能量間距需較小，保證多重態(tài)在平衡受擾動時能以聲子形式吸熱而迅速恢復平衡；泵浦激發(fā)波長的選擇要盡可能調諧到材料吸收光譜的紅邊，以便發(fā)生有效的反斯托克斯熒光過程2。4.2數學表述在理想情況下，當原子在從激發(fā)態(tài)到基態(tài)之間躍遷的過程中沒有以非輻射方式損失能量，根據能量守恒定律，原子每吸收一個泵浦光光子，就產生一個熒光光子，并且該熒光光子的平均能量等于損失的熱能加上泵浦光子的能量。于是，熒

15、光制冷功率與吸收的泵浦光功率有以下關系： （4.1）式中：是泵浦光子的波長；是有效平均出射熒光波長。激光冷卻的效率可以定義為： （4.2）計算實際的制冷效率時還要考慮量子效率和非輻射躍遷引起的寄生產熱3。4.3激光制冷技術的發(fā)展與現狀1929 年, Pringsheim 最先提出了通過反斯托克斯熒光對材料進行制冷的思想。1946 年，著名物理學家朗道根據熱力學原理，證明利用反斯托克斯熒光對材料進行制冷是可行的。隨著激光器的發(fā)明，利用激光作為光源進行反斯托克斯熒光制冷成為了可能。1968 年, Kushida 和Geusic 在貝爾實驗室利用Nd3+:YAG 激光器泵浦另外一塊Nd3+:YAG

16、樣品，但是由于技術和條件上的限制，同時由于Nd3+離子在激光的激發(fā)態(tài)能級的附近存在著一些其他的4f 帶，促進了無輻射躍遷的發(fā)生，因此，沒有觀察到制冷效果。1981 年，N. Dieu 等人利用 激光器激發(fā)氣體，使其動態(tài)躍遷，首次在實驗中觀察到了氣體的反斯托克斯熒光制冷現象。1995 年，激光制冷在實驗上獲得了歷史性的進展，美國LosAlamos國家實驗室的Epstein等人，利用摻雜重金屬氟化物玻璃ZBLANP進行激光冷卻，實驗得到了相對于室溫0.3K的降溫，從而第一次得到了凈制冷的激光冷卻。此后，該小組又利用此種重金屬氟化物玻璃相繼獲得了相對于室溫16K、21K、65K、90K的溫降。除了重

17、金屬氟化物玻璃，在實驗上還觀察到了摻雜的其他基質材料的激光冷卻現象，例如，以KGd 晶體、YAG晶體、等為基質材料。同時，利用其他材料的激光冷卻也獲得了很大進展，分別實現了離子摻雜的固體材料、液體染料激光材料以及半導體材料的激光制冷實驗。5半導體制冷半導體制冷( Semiconductor ref refrigeration)、電子制冷、溫差制冷或者熱電制冷,是上世紀60 年代后迅速發(fā)展起來的一項制冷技術。與普通制冷技術不同,半導體制冷不采用壓縮機和制冷劑,不依賴制冷劑的相變傳遞熱量,在直流電流通過具有熱電轉化效應的導體組成的回路時,利用熱量轉移特性制冷,是一種科技含量高的全新制冷技術。半導體

18、制冷系統(tǒng)無壓縮機和制冷工質、結構簡單、成本低、壽命長、綠色環(huán)保,工作過程無振動、無噪音,也不必擔心工質泄露破壞大氣層,目前已在低溫超導技術、低溫生物學、低溫外科學,低溫電子學,通訊技術,紅外技術,激光技術,以及空間技術等領域廣泛應用。5.1半導體制冷原理及特點 熱電效應是半導體制冷的最基本依據,其中最著名的是塞貝爾效應和珀爾帖效應。1821 年塞貝爾發(fā)現在用兩種不同導體組成閉合回路中,當兩個連接點溫度不同時(T1<T2) ,導體回路就會產生電動勢(電流) ,即塞貝爾效應(圖1)。1834年,法國科學家珀爾帖在此基礎上做了一個相反的實驗:用兩種不同導體組成閉合回路,并通直流電,連接處出現了

19、一端冷、一端熱的現象,即珀爾帖效應。顯然其本質就是塞貝爾效應的逆效應(圖2)。金屬1電流金屬2T1T2 圖5.1賽貝爾效應電流直流電源金屬1-吸收熱量Q金屬2+ -放出熱量Q 圖5.2珀爾帖效應普通金屬導體的珀爾帖效應微弱,制冷效果不佳。例如當時曾用金屬材料中導熱和導電性能最好的銻- 鉍(Sb2Bi) 熱電偶做成制冷器,但其制冷效率還不到1 % ,根本沒有實用價值,因此珀爾帖效應長時間不受重視。但是隨著材料科學的進一步發(fā)展,人們發(fā)現半導體材料的珀爾帖效應遠強于普通金屬。由3 塊金屬板(1 、2 、3) 和一對電偶臂(由一塊P型半導體和一塊N 型半導體構成) 組成的熱電偶,在通以圖3 所示的電流

20、時,金屬板1 會從周圍吸收熱量,而金屬板2 、3 則釋放熱量。金屬板1 作為工作端可達到制冷目的,將電源極性反過來(即通以反方向電流) ,金屬板2 、3 吸收熱量,金屬板1 釋放熱量,還把板1 作為工作端,就是制熱器了。實驗表明,與普通金屬相比,半導體電路的珀爾帖效應明顯增強。圖3 中這對電偶制冷量很小,通常只有幾百毫瓦到二三瓦之間,一般不能滿足制冷需要。為了得到更好的制冷效果,通常串聯、并聯、混聯上述電偶組成制冷電堆,獲得數瓦到數千瓦的制冷量。5.2半導體制冷技術的應用半導體制冷的特點,使其在常規(guī)制冷無法滿足需要的很多場合應用廣泛。半導體冰箱上世紀50 年代,前蘇聯就開始研制容量約10L 左

21、右的小型半導體冰箱。與通常冰箱相比,其最大優(yōu)勢在于體積小、易攜帶、無管道回路系統(tǒng)、能承受較大顛簸等。目前已大量用于車載型冷暖箱、賓館客房及辦公室等的小冰柜,如日本松下公司開發(fā)的“珀爾帖半導體制冷式酒柜”,可容納36 瓶紅酒,能滿足一般人對紅酒收藏的要求。我國河北節(jié)能公司推出的“新生活”系列半導體制冷設備更是從一開始就考慮了不同消費群體的需要,相繼推出床頭柜型、茶幾型、車用型、旅行型等不同用途的半導體冰箱。此外,該技術還可用于高真空技術、工業(yè)氣體含水量測定、溫度測定、紅外技術、激光技術、高緊密科學儀器以及空間技術等領域。6磁制冷磁制冷方式是一種以磁性材料為工質的制冷技術，其基本原理是借助磁致冷材

22、料的可逆磁熱效應，又稱磁卡效應(Magneto Caloric Effect,MCE)放出熱量，而絕熱退磁時溫度降低從外界吸收熱量，從而達到制冷目的。6.1磁制冷的基本原理由磁性粒子構成的固體磁性物質，在受到外磁場的作用被磁化時，系統(tǒng)的磁有序度加強（磁熵減?。?，對外放出熱量；再將其去磁，則磁有序度下降（磁熵增大），又要從外界吸收熱量。這種磁性粒子系統(tǒng)在磁場的施加與去除過程中所呈現的熱現象稱為磁熱效應。磁熱效應是所有磁性材料的固有本質， 圖1所示的T-S圖表示了鐵磁物質在磁有序化溫度（居里溫度）附近的磁熱效應。圖中水平方向箭頭表示絕熱溫變，豎直方向箭頭表示等溫磁熵變，它們分別可用來表征MCE的大

23、小。常壓下，磁體的熵S(T,H)是磁場強度H和絕對溫度T的函數,它由磁熵SM(T,H)、晶格熵SL(T)和電子熵SE(T) 3部分組成,即可以看出，是T和H的函數,而和僅是T的函數。因此當外加磁場發(fā)生變化時，只有磁熵隨之變化，而和只隨溫度的變化而變化，所以和合起來稱為溫熵,于是上式可以改為：在絕熱過程中，系統(tǒng)熵變?yōu)榱?，即：絕熱磁化時，工質內的分子磁矩排列將由混亂無序趨于與外加磁場同向平行，根據系統(tǒng)論觀點，度量無序度的磁化熵減少了，即，所以，故工質溫度升高；當絕熱去磁時，情況剛好相反，使工質溫度降低，從而達到制冷目的。這種制冷方法就是絕熱去磁制冷法，也就是我們所說的磁制冷。不斷發(fā)展的制冷行業(yè)，越

24、來越體現理論的基礎性?，F在著重以傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷、磁致冷、熱電制冷為例，突出熱力學知識在制冷技術中的應用，強調理論知識的基礎性。6.2磁熱效應（MCE）的表征參數及測試方法磁制冷材料的性能主要決定于以下參數：磁有序化溫度磁相變點（如居里點Tc、奈爾點TN等）、一定的外加磁場變化下磁有序化溫度附近的磁熱效應。磁有序化溫度是指從高溫冷卻時，發(fā)生諸如順磁-鐵磁、順磁-亞鐵磁等類型的磁有序化（相變）的轉變溫度。磁熱效應（MCE）一般用等溫磁熵變SM或絕熱溫變Tad來表征。一般對于同一磁致冷材料而言,外加磁場強度變化越大,磁熱效應就越大；不同磁致冷材料在相同的外加磁場強度變化下,在各自居里點處|SM

25、|或Tad越大,表明該磁制冷材料的MCE就越大。根據熱力學推導，可得 （6.1)其中，恒磁場下的磁比熱 (6.2)絕熱條件下， (6.3)等溫條件下，積分得 (6.4)等磁條件下， (6.5)以上是MCE 的熱力學構架，只要能通過實驗等方法測得M(T,H)和CT(H,T)，就可根據它們求解出和。6.3磁制冷機的研究進展根據溫度的不同, 可將制冷溫區(qū)劃分為極低溫區(qū)（趨于0K）、低溫區(qū)（<15K）、中溫區(qū)（15-77K）和高溫區(qū)（>77K及室溫區(qū)）。同樣，磁制冷機的研究也分為這樣4個區(qū)。在低溫溫區(qū)（<15K），由于磁制冷材料的晶格熵可忽略不計，這方面的研究到上世紀80年代末已經非

26、常成熟。由于中溫溫區(qū)是液氫的重要溫區(qū)，而綠色能源液氫具有極大的應用前景，所以該溫區(qū)的研究受到了廣泛重視。對于高溫溫區(qū)，研究的重點在室溫溫區(qū)。在室溫范圍內，磁制冷材料的晶格熵很大，如果不采取措施取出晶格熵，有效熵變將非常小；另外，在室溫范圍內強磁場的設計以及換熱性能的加強都是很關鍵的。總之，室溫磁制冷的研究水平還遠遠低于低溫范圍的研究。以1976 年Brown 首次在實驗室實現室溫磁制冷為開端，科學家在室溫磁制冷的研究上進行了各種嘗試，開發(fā)出了多種實驗樣機。（1）Brown磁制冷機1976 年美國NASA 的Lewis 研究中心的G.V.Brown首次在實驗室實現了室溫磁制冷。水冷電磁體提供高達

27、7T 的磁場，磁工質為1 mol 的金屬釓，放在等間距排列的圓筒形不銹鋼蓄冷器中，作上下往復運動，采用近似Ericsson循環(huán)。通過開關控制依次實現退磁吸熱、等磁場（ 零磁場）、勵磁放熱和等磁場（強磁場）4 個過程。大概經過5o次的循環(huán)，實現了冷端（272K）、熱端(319K)的47K 的溫度跨度。（2）Steyert 磁制冷機1978 年，美國Los Alamos實驗室的Steyert設計了采用Brayton 循環(huán)的回轉式結構磁制冷機。用213 Kg 釓（Gd）制成直徑約為150 mm 的多孔轉盤, 采用與轉盤轉向相反方向流動的強制水流進行熱交換。當高低磁場差為112 T、冷熱端溫差為7 K

28、 時,獲得了500 W的制冷量。該系統(tǒng)效率高，但是所能獲得的最大溫度跨度僅為9K。（3）Zimm 磁制冷機1996 年, 美國宇航公司的Carl Zimm 采用Brayton 循環(huán)研制的往復式結構磁制冷機使室溫磁制冷技術取得了突破性進展。該系統(tǒng)采用NbTi超導磁體產生磁場（最大5T），以3 Kg 的Ga為制冷工質，水（加防凍劑）為傳熱介質。實驗結果表明：在5T 的磁場強度下，COP最大可達15,效率接近卡諾循環(huán)的60，最大制冷量可達600 W。（4）Ames 磁制冷機美國依阿華州州立大學Ames 實驗室和美國宇航公司聯合研制成功首臺采用永磁體作為磁場的回轉式磁制冷樣機。該裝置利用了具有高磁熵變

29、的Ga-Si-Ge 合金的巨磁熱效應,磁場強度是常規(guī)永磁體的2 倍,粉末狀的金屬Ga 填入環(huán)形蓄冷器中,蓄冷器在驅動器的作用下回轉運動,經歷磁化、退磁和吸熱放熱過程。6.4開發(fā)磁制冷技術需解決的問題作為具有巨大潛力的制冷技術，磁制冷取代傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷還有很多問題要解決。（1）開發(fā)高性能的磁制冷材料目前應用的磁性物質主要是釓、釓硅鍺合金以及類鈣鈦礦物質，其溫度跨度比較窄，磁熱效應還不能達到室溫制冷的要求。針對應用前景看好的室溫磁制冷，大力開發(fā)具有巨磁熱效應的磁制冷材料已成為當今磁制冷研究的主流。另外，可以依靠磁制冷這一“綠色”制冷技術得到綠色能源氫，所以氫液化溫度范圍內的磁制冷材料的研究也

30、應得到重視。（2）磁體及磁場結構的設計目前普遍采用永磁體、電磁體及超導磁體為磁制冷供應磁場。永磁體結構簡單、來源廣泛、適用性強，但一般只能提供1.5T 左右的磁場；超導磁體及電磁體可提供5-7T左右的磁場，但其結構復雜且成本昂貴。另外，研究發(fā)現磁體極內表面的平整程度對磁場的影響很大，所以磁體的加工制造工藝也是很重要的。（3）磁制冷循環(huán)在極低溫下，可以用卡諾循環(huán)及Ericsson 循環(huán)達到較高的制冷效果，但對于室溫來說，則應考慮采用Stiring、Ericsson、Brayton 等循環(huán)。（4）蓄冷及換熱技術在極低溫區(qū)，可以不考慮蓄冷的問題。但在中溫及高溫區(qū)，磁制冷的晶格熵的取出必須依靠蓄冷器，

31、所以蓄冷材料的選擇以及蓄冷器的設計就顯得尤為重要。另外，由于整個磁制冷系統(tǒng)的實際效率主要取決于蓄冷器及換熱器性能的優(yōu)劣，必須使得磁熱效應產生的冷量盡快盡多地帶走，就需要對蓄冷器以及換熱器進行優(yōu)化設計?？傊捎诖胖评湓诠?jié)能及環(huán)保方面的卓越品質，不愧為一種極有發(fā)展?jié)摿Φ木G色制冷方式，但是要得到真正意義上的廣泛應用，還有待各種相關學科的發(fā)展及突破。7四種制冷技術優(yōu)略的比較上述四種不同的制冷技術除了其制冷原理不同之外，還在其材質、制冷效率、特點、和應用領域等有著不同之處。下面我們對這四種制冷技術做個比較，以便能更廣泛的應用到我們生活、生產中的方方面面。7.1原理及制冷效率的比較吸收式制冷技術的原理是

32、利用液態(tài)制冷劑在低溫、低壓條件下，蒸發(fā)，汽化吸收制冷劑的熱負荷，產生制冷效率。激光制冷技術的原理是利用高相干，高單色性和高能量密度的激光作為激發(fā)光源進行泵浦。由于由于發(fā)射的熒光光子的平均能量比吸收的激發(fā)光子的平均能量大，這個能量差就是受激能級之間達到熱平衡所需要的熱吸收，并且被固體材料所發(fā)射的熒光帶走，造成了制冷效應。半導體制冷技術的原理是賽貝爾效應和珀爾帖效應。磁制冷的原理是借助磁制冷材料，即磁制冷材料等溫磁化時，溫度升高向外界放出熱量，而絕熱退磁時溫度降低，從外界吸收熱量從而達到制冷目的。由上述原理比較可知，吸收式制冷技術的原理較為簡單易懂，它和原始的壓縮式制冷機的原理一樣，而其他的三種制

33、冷原理相對比較復雜。不同的制冷原理導致制冷的效率不同。吸收式制冷的效率還比較可行，激光制冷的效率低，實驗給出的結果均不高于3%。和常規(guī)制冷相比，半導體制冷的制冷系數比較低，只有0.9左右，制冷溫差小。磁制冷的制冷效率相對來說比較高，已開發(fā)出的磁制冷機，循環(huán)效率最大可達卡諾循環(huán)的60%。7.2材質及制冷裝置的比較吸收式制冷機沒有壓縮機，簡單易行，只需有工質對就可，即氨水溶液和溴化鋰水溶液。用于激光制冷的主要稀土摻雜離子是和。激光冷卻材料一般都含有一些雜質離子，如、等，這些雜質中心會導致熒光卒滅和非輻射的多聲子弛豫震蕩（寄生產熱）和競爭，從而降低制冷效率。另外它的制冷裝置也比較復雜。由于制冷材料對

34、于泵浦光的吸收有限，因此需要設計出新的結構提高泵浦光的吸收效率。所以從材質和制冷裝置出發(fā)我們不考慮使用激光制冷。通常半導體制冷器由許多N型和P型半導體組成，N、P結之間以一般導體連接成完整線路，通常采用鋁、銅或其他金屬導體，最后像夾心餅干一樣，外夾兩片陶瓷。陶瓷片必須絕緣，而且導熱性能良好。磁制冷機只需要高性能的磁制冷材料，因此比較簡單比較簡單，具有可行性，而且節(jié)能環(huán)保。7.3應用領域的比較對于吸收式制冷，可供考慮使用的制冷劑與吸收劑溶液很多，但較為常用的只有氨水溶液，溴化鋰水溶液。由于氨具有刺激性臭味，且氨水吸收式制冷機熱效率低，體積龐大，故一般用于工業(yè)工藝過程。目前，應用最廣泛的就是溴化鋰

35、吸收式機組。吸收式制冷所需的驅動能源是熱能，可以為蒸汽，燃料的燃燒熱，熱水，工業(yè)或生活余熱，太陽能，地熱能等。隨著吸收式制冷研究的進展，技術的不斷進步與國家能源結構的調整，溴化鋰吸收式機組的應用主要集中在熱電冷聯產、直燃型吸收式冷熱水機組、蒸汽型吸收式冷水機組、熱水型吸收式冷水機組、太陽能吸收式機組等方面。激光制冷主要是應用在一些機械制冷不能使用的地方，例如空間技術和航天領域，激光制冷更有著其獨特的優(yōu)勢。作為一種有希望取代傳統(tǒng)制冷技術的“綠色”制冷技術，磁制冷技術近幾年得到了快速發(fā)展；尤其是在室磁制冷領域，新材料、新技術、新制冷機不斷涌現。因此不同的制冷技術在不同的領域分別有著不同的應用。7.

36、4四種不同制冷技術的特點由于不同的應用領域就決定著這四種制冷技術所具有的特點不同，下面我們總結一些這四種制冷技術的特點。吸收式制冷機的最大特點是利用熱源作為制冷原動力,因吸收式制冷機沒有壓縮機,所以無噪音、壽命長、不易發(fā)生故障。但在使用時機器一定要水平放置,周圍應留有足夠空間散熱,環(huán)境溫度也不能太高,否則會影響制冷效果。但是它也有它的缺點: 價格無優(yōu)勢，耗能大，機組笨重利用熱能促進了全球變暖。近年來，激光冷卻技術得到了人們的極大關注，通過對原理、材料、結構和工藝等方面的研究，獲得了很大的進展，同時也存在一定的問題需要繼續(xù)研究。提高制冷效率和實現激光制冷機，即所謂的激光冰箱將是研究的熱點。半導體

37、制冷技術與壓縮制冷相比，無機械運動部件、直接利用電能轉移熱量、具有結構簡單，壽命長，工作可靠，易控制，可小型化，無噪音和空氣污染等優(yōu)點。磁制冷作為一項高新綠色制冷技術，與傳統(tǒng)壓縮制冷相比，具有如下競爭優(yōu)勢：無環(huán)境污染、由于工質本身為固體材料以及可用水來作為傳熱介質，消除了因使用氟利昂，氨水及碳氫化合物等制冷劑所帶來的破壞臭氧層、有毒、易毒、易泄漏、易燃易爆等損害環(huán)境的缺陷；高效節(jié)能，可靠性高，壽命長，便于維修，降低噪音。8展望由于對臭氧保護的需求，傳統(tǒng)的壓縮式正在研究新的制冷劑，并且已經取得了突破的成就。而磁制冷技術作為一種高效環(huán)保的制冷方式越來越受到各國的重視,制冷的溫度范圍也從低溫區(qū)向室溫區(qū)發(fā)展,經過各國學者的努力,室溫區(qū)的磁制冷已經取得了階段性的進展。在磁制冷的發(fā)展中,尋找新的磁制冷工質,特別是巨磁熱效應,居里點合適的材料將是重點,結合納米技術的發(fā)展,納米磁性材料由