制冷与低温技术原理 3 电、磁、声制冷

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1、返回目录3电、磁、声制冷3.1热电制冷热电制冷又称为温差电制冷，或半导体制冷。它是利用热电效应(即帕尔帖效应)的一种制冷方法。1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正、负极上，通电后，发现一个接头变热；一个接头变冷。这说明：当有直流电通过两种不同材料组成的电回路时，两个接点处分别发生了吸、放热效应。这个现象称为帕尔帖热电效应。它是热电制冷的依据。接点处热电效应足够强的话，就可以产生有用的制冷作用。热电效应的大小主要取决于两种材料的热电势。纯金属材料的导电性好、导

2、热性也好。用两种金属材料组成电偶回路，其热电势小，热电效应很弱，制冷效果不明显(制冷效率不到1%)。半导体材料具有较高的热电势，可以成功地用来做成小型热电制冷器。按电流载体的不同，半导体分为N型半导体(电子型)和P型半导体(空穴型)。图3-1示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。回路由低压直流电源供电。回路中接通电流时，一个接点变热；一个接点变冷。如果改变电流方向，则两个接点处的冷热作用互易，即原来的热接点变成冷接点

3、；原来的冷接点变成热接点。图3-1热电制冷元件（点击观看动画）一对N、P热电偶只需零点几伏特的电源电压，冷端产生的制冷量也很小，所以实际热电制冷器是将许多热电偶组成热电堆使用。热电制冷器的结构和原理显然不同于液体气化制冷。它不需要一定的工质循环来实现能量转换，没有任何运动部件。热电制冷的效率低，半导体材料的价格又很高，而且，由于必须使用直流电源，变压和整流装置往往不可避免，从而增加了电堆以外的附加体积。所以热电制冷不宜大规模和大冷量使用。但由于它的灵活性强，简单方便，使用可靠，冷热切换容易，非常适宜于微型制

4、冷领域或有特殊要求的用冷场所。例如，用于为空间飞行器上的科学仪器、电子仪器、医疗器械中需要冷却的部位提供冷源；装备在核潜艇驾驶舱的空调设备上。此外，采用热电制冷的小型手提式电冰箱很适合于郊游、兵营、汽车司机等使用。3.2磁制冷这是利用磁热效应的制冷方式。早在1907年郎杰斐（P.Langevin）就注意到：顺磁体绝热去磁过程中，其温度会降低。从机现上说，固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热

5、量。这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应。1．基本概念螺旋线圈通电时，产生感应磁场B。在线圈中插入磁性物体（比如铁棒），物体磁化后0产生附加磁场B′。于是，总的磁感应强度为B=B+B′(3-1)0不同的磁介质产生的附加磁场情况不同，附加磁场与原磁场方向相同的磁介质称作顺磁体（如铁、锰）；附加磁场与原磁场方向相反的磁介质称作抗磁体（如铋、氢等）。磁感应强度单位是特斯拉(Tesla)，用符号T表示。设物体的磁矩为M。物体在磁场H中磁矩增加dM时，磁场对物体作功为µHdM。0该过程中物

6、体吸热dQ，内能增加dU。则由热力学第一定律有dQ=dU−µHdM(3-2)02式中µ――真空磁导率，N/A；0H――磁场强度，A/m；2M――磁矩，Am；将式(3-2)与熟知的气体热力学第一定律表达式dQ=dU+pdV相类比。磁系统中的µH0相当于气体系统中的压力p；M则相当于体积V。并类似地引出磁熵S的概念。用T−S图可以描述磁性物体的磁热状态，反映出物体温度T、磁熵S与磁场B（常用磁感应强度代替磁场强度H）三者之间的关系。2．低温磁制冷在16K以下的极低温区，由于固体的晶格振动和传导电子的热运动可以忽

7、略，故磁系统的磁熵变近似等于整个固体的总熵变。磁制冷卡诺循环如图3-2所示。它由四个过程组成：1-2为等温磁化（排放热量）；2-3为绝热退磁（温度降低）；3-4为等温退磁（吸收热量制冷）；4-1为绝热磁化（温度升高）。已开发出的磁材料有：钆镓石榴石(Gd3Ga5O12)、镝铝石榴石(Dy3Al5O12)、钆镓铝石榴石(Gd3(Ga1-xAl2)5O12)。其制冷温度范围：(4.2~20)K。正在开发的磁材料有：RAl2和RNi2(R代表Gd,Dy,Ho,Er等重稀土)。其制冷温度范围：(15~77)K。磁制

8、冷装置首先需要有超导强磁体，用于产生强度达(4~7)T的磁场。用旋转法实现循环：将钆镓石榴石（磁介质）做成小球状，充填入一个空心环中。使圆环绕中心轴旋转，转到冰箱外的半环受磁场作用，温度升高后磁化放热；转到冰箱内的半环时退磁，温度降低后吸热制冷。日本川崎公司研究的这类转动式磁制冷机需要的最大磁场强度为4.5T；旋转速度为0.72r/min；制冷温度达(4.2~11.5)K；制冷量为0.12W。图3-2磁制冷卡诺循