一、什么是磁制冷？
磁制冷是指以固态磁性材料为制冷工质的一种新型制冷技术。基本原理是在励磁过程中，磁性材料的磁矩沿磁场方向由无序到有序，磁熵减小，此时磁工质向外放热；在退磁的过程中，磁性材料的磁矩沿磁场方向由有序到无序，磁熵增大，此时磁工质从外部吸热。其次在绝热条件下，磁工质与外界没有发生热量交换，在励磁和去磁的过程中，磁场对材料做功，使材料的内能改变，从而使材料本身的温度发生变化。
图1 磁制冷基本流程图
二、磁热效应
磁热效应（Magnetocaloric effect, MCE ）：又称磁卡效应，是指外加磁场发生变化时磁性材料的磁矩有序排列发生变化，即磁熵改变，导致材料自身发生吸、放热的现象。无外加磁场时，磁性材料内磁矩的方向是杂乱无章的，表现为材料的磁熵较大；有外加磁场时，材料内磁矩的取向逐渐趋于一致，表现为材料的磁熵较小。根据磁性物质磁化率的大小和符号，可以分为抗磁体、顺磁体、反铁磁体、铁磁体、亚铁磁体。目前选用的磁制冷材料主要是顺磁工质和铁磁工质。
图2 磁热效应
三、磁制冷循环
3.1 卡诺循环：由两个等温过程和两个等熵过程组成，无蓄冷器，结构简单，可靠性高，效率高。温度跨度小，需较高外场，存在晶格熵限制，外磁场操作比较复杂。制冷温区20K以下。
3.2 斯特拉循环：由两个等温过程和两个等磁矩过程组成，需蓄冷器，可得到中等温跨。外磁场操作复杂，制冷温区20K以上。
3.3 埃里克循环：由两个等温过程与两个等磁化场过程组成，需蓄冷器，可得到大温跨，外磁场操作简单，可使用各种外场。蓄冷器传热性能要求很高，效率低，需外部热交换器，且与外部热交换器接触要求高，操作复杂。制冷温区20K以上。
3.4 布雷顿循环：由两个等磁化场过程与两个等熵过程组成，可得到最大温跨，可使用不同大小的场强。蓄冷器传热性能要求高，需外部热交换器，制冷温区20K以上。
图3 磁制冷循环图
四、磁制冷的优缺点
4.1 优点：与传统气体压缩-膨胀制冷技术相比，磁制冷所采用的制冷工质为磁性物质，对臭氧层无破坏作用，无温室效应产生，磁制冷只需要电磁体或超导体甚至永久磁体提供所需的磁场，无需压缩机，没有运动部件的连接和磨损等问题。
1）无环境污染：工质本身为固体材料及可用水来作为传热介质，消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃易爆等损害环境的缺陷。
2）高效节能：磁制冷的效率可达到卡诺循环的30%~60%，而气体压缩制冷一般仅为5%~10%，节能优势显著。
3）易于小型化：磁工质是固体，其熵密度远远大于气体的熵密度，易于做到小型化。
4）稳定可靠：无需压缩机，运动部件少且转速缓慢，大幅降低振动与噪声，可靠性高，寿命长，便于维修。
5）应用范围广：从低温（制取液氮、液氦、液氢）直到室温以上均适用。
4.2 缺点：成本高。
五、磁工质材料
一般为软磁材料，主要产品有LaFeSi系（我国主要研究类型）、GdSiGe系、MnFePAs系、LaCaMnO系等。“十四五”国家重点研发计划“稀土新材料”专项中提出要研制出多种新型磁制冷材料。
图4 磁工质材料
5.1磁工质材料根据应用温度范围可分为3个温区：低温区（20K以下）、中温区（20-77K）、高温区（77K以上）。
1）低温区磁工质材料：研究集中在顺磁盐类，包括三价铁基铝酸盐、三价铬铝酸盐等.
2）中温区磁工质材料：该温区是液化氢、液化氮的重要温区，研究集中在重稀土元素单晶、多晶材料。
3）高温区磁工质材料：研究集中在铁磁工质上，主要包括以下3类：
重稀土及其合金（GdSiGe系）：Gd是用于室温最理想金属，居里温度为293K，恰好在室温区间，且拥有较大磁热效应；缺点是价格昂贵、易被氧化、抗腐蚀性能差
类钙钛矿化合物（LaCaMnO系）：钙钦矿锰氧化物具有丰富的构造信息和物理机理，制备简单，价格便宜，构造稳固
过渡金属及其化合物（MnFePAs系）：优点是磁热效应较大，原材料来源宽泛，价格低廉，居里温度随不同元素比率可调，缺点是含有剧毒元素As，当前研究中多采用Si和Ge等物质作为替代
5.2纳米磁工质材料：纳米颗粒的尺寸效应使得磁热效应更加优秀，更容易制造出低磁场、高性能的磁工质材料。
六、商业应用场景展望
磁制冷技术将在航空航天、量子力学、白色家电及冷链物流等诸多领域有广阔的发展空间及潜力，将推动各行业的技术快速发展及进步。
