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磁冰箱

生活科學趣談

壓縮機製冷將成歷史 磁製冷冰箱即將商用 – 科技讀報發布於2016年6月17日

熱電效應 的致冷晶片應該比較為人所熟知,早期曾應用於以USB供電的迷你冰箱中

或是從點煙器供電的車用小冰箱

使用致冷晶片的冰箱除了體積很難做大之外,它的性能係數COP最高也只有0.5左右。也就是說,單位時間內若要從冰箱內抽走100卡的熱量,那麼就必須消耗200卡的電能,並從後方的散熱器排放出300卡的熱量,這種效能太低了(註:使用壓縮機的傳統電冰箱之COP最高可達 1.5 以上)。

“磁熱效應”(MagnetoCaloric Effect)則是指某些磁性材料放在磁場中,它的溫度會升高;從磁場中取出後,它的溫度會變低的現象。鐵磁或順磁物質或多或少都有磁熱效應,對於鐵磁物質而言,當磁場變化量為1特斯拉時,材料的溫度約變化0.5~2.0℃,近年來發現釓的合金 Gd5Ge2Si的磁熱效應最明顯,它的效應可達3~4℃/Tesla。

相對於傳統電冰箱的 卡諾循環(等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮、絕熱壓縮的四個過程),把磁熱效應顯著的磁性材料放在強磁場的內外環境中時,也是進行四個過程,它們分別是:
1. 絕熱磁化:把磁熱材料放在 絕熱 環境中,外加磁場時,材料的原子磁矩會沿著磁場方向規則排列,造成材料的磁  和熱容都減少。由於絕熱是沒有熱量進出的環境,而且總熵也不變,因此減少的磁熵就轉變為熱熵,這種內部無序的凌亂熱運動所表現出來的宏觀現象就是溫度的上升。
2. 等溫熱傳導:磁場保持不變,把磁熱材料所升高溫度的熱量以流動的液體帶走。待材料與液體溫度平衡後,把磁熱材料和冷卻液體分開。
3. 絕熱去磁:磁熱材料在絕熱環境中移除磁場,導致磁熱材料的原子磁矩方向變成混亂無序(磁熵增加),故熱熵變為磁熵(磁無序狀態),因而造成材料的溫度降低。這種 絕熱去磁法 是目前所能得到低溫的最有效方法,在適當的條件配合下,最低可以降到10-7K的低溫。
4. 等溫熱傳導:把冷卻後的磁熱材料和需要冷卻的另一條管線中流動的液體接觸,由於液體的溫度比磁熱材料高,故材料能從液體中吸收熱量,從而使管內流動的液體能達成冷卻環境溫度的功能。

因此在強磁環境下的高溫若藉由散熱系統來排熱,然後再將磁矩恢復為散亂無序狀態,就可以導致材料的冷卻來獲得低溫 。反覆施加和除去外加磁場時,磁矩的規則排列和隨機散亂的變化,就可以藉由熱傳導將熱能從低溫區抽出,然後送到高溫區去排放的循環過程,這就是磁致冷技術的原理。Gd5Ge2Si是絕佳的磁熱效應材料,但也會因磁滯現象而損失大量能量。目前克服此問題的方法是添加少量鐵,即可將磁滯現象減少90%,所獲得的釓鍺矽合金於是成為一種性能得到很大改善的制冷材料,可在接近室溫的環境下應用。第一台磁冰箱因此在2002年於美國問世,就是使用含有這種材料的金屬片轉輪和一塊釹鐵硼永久磁鐵,只不過體積稍嫌龐大了一些

至於這則新聞中由 Cooltech 所開發的磁冰箱,則是將體積縮小成為零售冷藏櫃的大小,目前正在不同的營業場所進行最後的測試。

magnetocaloric_effect1

在下列影片中,磁冰箱上方那顆就是磁致冷裝置MRS

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