磁热效应是指磁性材料在变化的磁场中产生的热/冷效应,即外加在磁性材料的磁场增大时,其温度升高,施加在磁性材料的磁场减小时,温度降低,它是磁性材料的固有性质,这种特性在材料的居里点附近最大。
磁制冷是利用磁性材料所具有的磁热效应的原理制冷的,它是通过磁性材料磁矩的有序度在外磁场中发生变化(沿着磁场方向取向)而引起熵变(S)来达到制冷的目的。在工程上,需要将磁热效应所产生的热量传输到高温端,并散热;将制冷量积累在低温端。由于材料自身由磁热效应产生的温差不大,还需要某种技术拓展冷热端的温差,来达到制冷的目的。
室温磁制冷的研发分为三部分:磁制冷材料及磁工质的研发;磁场系统的设计与研制;磁制冷机的设计与研制。目前,磁制冷材料的研究已经趋于成熟,可以Kg级小批量试产,但还有待于进一步研究;磁场系统的设计、研制也比较成熟。磁制冷机方面在实验室的原理机已经比较完善,实用型样机已经研制多台,技术正在趋于成熟。目前,研发的主要目标是:减小磁体用量,提高制冷能力。著名磁制冷方面专家,美国Ames实验室哥斯奈德(Gschneidner, Jr.)教授曾经说过:当世界各国所设计研究的磁制冷机达到1000台时,磁制冷就会进入市场了。近两年,许多企业、特别是一些著名大型企业如巴斯夫公司、海尔集团等看到了磁制冷的前景,加入到磁制冷的研发队伍,对磁制冷的实用化起到了推波助澜的作用。目前各国正在加大研发力度,对磁制冷技术进行集成地、系统地研究、开发,使室温磁制冷技术尽早地走向市场。
磁制冷可以应用在冰箱、空调等制冷领域。由于磁制冷具有耗能低、无污染等优点,是替代目前使用的气体制冷技术的理想制冷技术。磁制冷能够应用在空调、冰箱、保温设备等制冷设备,可以先替代保温设备,这类制冷设备的使用量是非常巨大的。
我国是电冰箱等制冷设备生产大国,每年产量有几千多万台。使用氟利昂制冷剂的制冷设备都要逐步淘汰,更新使用无氟制冷设备,这是室温磁制冷技术应用的一个巨大市场。加上人们的生活水平的提高,空调器等制冷设备的市场也越来越大。据网络数据,2009年,我国制冷空调设备总产值到达3100亿元,占世界制冷空调设备总产值的15%以上。如果磁制冷能够替代现有制冷设备的1%,那么磁制冷的产值就达到31亿元,这些数字说明制冷设备具有广泛的市场。这对磁制冷设备的研制和生产创造了机遇和挑战。
我国拥有丰富的稀土资源,其中La的丰度高达15%左右。近年来,为了满足钕铁硼稀土永磁材料快速发展对稀土金属钕的需求,扩大了稀土的冶炼规模。目前,轻稀土分离能力达到约11万吨。由于稀土元素在矿物中是共生的,在大量分离钕元素的同时,也分离出来在矿物中品位很高的其他轻稀土元素如La、Ce、Y等。这类轻稀土主要应用于催化剂、电池材料、抛光粉、玻璃等,由于市场需求量的有限,造成了该类产品的供过于求,产生了大量库存和积压,造成企业效益不高甚至亏损,严重制约了我国稀土产业的发展。本项目的研究开发成功对稀土资源的综合利用,推动稀土产业的平衡和可持续发展具有重要的意义。
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