Магни́тное охлажде́ние, метод охлаждения, основанный на использовании магнитокалорического эффекта, благодаря которому магнитный материал при намагничивании в адиабатических условиях изменяет свою температуру. Так, например, ферромагнетики и парамагнетики нагреваются при намагничивании и охлаждаются при размагничивании. Изначально магнитное охлаждение как метод получения низких и сверхнизких температур (1–0,01 К) путём адиабатического размагничивания парамагнитных солей был предложен П. Дебаем (1926) и У. Ф. Джиоком (1927). Соль, содержащую магнитные ионы с большим магнитным моментом (как правило, соль редкоземельных металлов), намагничивали при относительно высокой температуре, затем её охлаждали до минимально возможной температуры, после чего магнитное поле выключали. В результате затрат тепловой энергии на разориентацию магнитных моментов ионов соль охлаждалась, что позволяло получать температуры, близкие к абсолютному нулю. Использование парамагнитных свойств ядер даёт возможность получать температуры порядка $10^{–6}$ К.

Во 2-й половине 20 – начале 21 вв. была теоретически рассмотрена и экспериментально продемонстрирована возможность использования магнитного охлаждения не только в области криогенных температур, но и при значительно более высоких температурах, вплоть до комнатных и выше. Используя магнитный материал в качестве рабочего тела, а также циклы намагничивания – размагничивания (магнитные тепловые циклы) с соответствующим отводом теплоты на разных стадиях цикла, можно организовать работу магнитного холодильника – устройства, использующего магнитное охлаждение, аналогично тому, как организована работа традиционного холодильника. Принцип действия последнего основан на применении циклов сжатия – расширения и испарения – конденсации газов. Принцип действия магнитного холодильника основан на изменении энтропии магнитного материала под действием магнитного поля. На рис. 1 представлена $ST$-диаграмма, на которой показаны зависимости полной энтропии $S$ ферромагнитного материала от температуры $T$ в магнитном поле ($H \neq 0$) и в отсутствие магнитного поля ($H = 0$). Абсолютная величина изменения магнитной части энтропии $\Delta S_{\text{м}}(Т) = S(H) – S(0)$ достигает своего максимума в области температуры Кюри и невелика вдали от этой температуры. Магнитный цикл Карно, осуществляемый от температуры $T_{\text{х}}$ (температура охлаждаемой нагрузки) до температуры $T_\text{г}$ (температура горячего теплообменника), представлен четырёхугольником $\text{ABCD}$. За один цикл в изотермических процессах от нагрузки поглощается (при размагничивании) количество теплоты, равное $\Delta S_{\text{м}}T_{\text{х}}$, где $\Delta S_{\text{м}} = S_2 – S_1$, и отводится в теплообменник (при намагничивании) количество теплоты, равное $\Delta S_{\text{м}}T_{\text{г}}$, на что затрачивается работа, равная $\Delta S_{\text{м}}(T_{\text{г}} – T_{\text{х}})$. Рабочий интервал температур холодильника, работающего по этому циклу $(\textit{T}_{г} – \textit{Т}_{х})$, ограничен уменьшением величины $\Delta S_{\text{м}}$ при удалении от точки Кюри, приводящем к уменьшению его эффективности.

Рис. 1. Принцип действия магнитного холодильника.Рис. 1. Принцип действия магнитного холодильника.В простейшем случае полную энтропию магнитного материала можно рассматривать как сумму энтропий, одна из которых связана с магнитной подсистемой материала, а другая – с его кристаллической решёткой. При увеличении температуры решёточный вклад в энтропию быстро возрастает, что приводит к уменьшению эффективности магнитного цикла Карно (прямоугольник $\text{ABCD}$ на рис. 1). Поэтому магнитный цикл Карно применяется при температурах, не превышающих 20 К. Адиабатическое размагничивание можно отнести к типу магнитного охлаждения, в котором используют магнитный цикл Карно. При более высоких температурах применяются регенеративные магнитные циклы: циклы Эриксона и Брайтона, представленные на рис. 1 фигурами $\text{AFCE}$ (намагничивание осуществляется изотермически) и $\text{AGCI}$ (намагничивание осуществляется адиабатически), а также активный магнитный регенеративный (АМР) цикл охлаждения, в котором магнитный материал используется не только как холодильный агент, но и как регенератор.

Рис. 2. Схема магнитного холодильника, работающего по АМР циклу: 1 – источник магнитного поля, 2 – активный магнитный регенератор с магнитным рабочим телом, 3 – холодный теплообменник, 4 – горячий теплообменник, 5 – дисплейсер.Рис. 2. Схема магнитного холодильника, работающего по АМР циклу: 1 – источник магнитного поля, 2 – активный магнитный регенератор с магнитным рабочим телом, 3 – холодный теплообменник, 4 – горячий теплообменник, 5 – дисплейсер.На рис. 2 представлена схема магнитного холодильника, работающего по АМР циклу (АМР-холодильника). Устройство состоит из источника магнитного поля 1, намагничивающего магнитный материал (рабочее тело), расположенный в контейнере 2; холодного 3 и горячего 4 теплообменников; дисплейсера (вытеснителя) 5; трубопровода (рабочего контура), который соединяет все эти компоненты и по которому под действием поршня дисплейсера перемещается жидкий теплоноситель. АМР цикл может быть представлен на $ST$-диаграмме как каскад циклов Брайтона, имеющих между собой тепловую связь, и состоит из двух адиабатических процессов и двух процессов, происходящих при постоянном магнитном поле. Адиабатические процессы соответствуют намагничиванию/размагничиванию рабочего тела, а процессы при постоянном поле – продувке теплоносителя через контейнер с магнитным материалом, представляющим собой активный магнитный регенератор.

На 1-м этапе цикла АМР-холодильника движение потока теплоносителя в устройстве отсутствует. Поршень дисплейсера находится в крайнем правом положении. Магнитный материал в регенераторе адиабатически намагничивается в магнитном поле, создаваемом источником поля. В результате этого температура материала возрастает из-за магнитокалорического эффекта. На 2-м этапе (горячая продувка) поршень дисплейсера смещается из крайнего правого положения в крайнее левое, вызывая прохождение теплоносителя в рабочем контуре устройства слева направо. Проходя через регенератор, теплоноситель забирает выделившуюся теплоту у магнитного материала и передаёт её в горячий теплообменник, где она сбрасывается в окружающую среду. На 3-м этапе поршень дисплейсера находится в крайнем левом положении, движение теплоносителя останавливается, магнитное поле выключается и магнитный материал в регенераторе адиабатически размагничивается. Это вызывает уменьшение температуры материала из-за магнитокалорического эффекта. На заключительном, 4-м этапе цикла (холодная продувка) поршень дисплейсера движется из крайнего левого положения в крайнее правое, обеспечивая прохождение теплоносителя через регенератор справа налево. В регенераторе теплоноситель охлаждается и поступает в холодный теплообменник, который отнимает теплоту у охлаждаемой нагрузки. Периодическая работа устройства обеспечивает перекачку теплоты от холодного теплообменника к горячему.

В настоящее время существует большое количество конструкций магнитных холодильников, работающих по разным магнитным термодинамическим циклам. Намагничивание или размагничивание рабочего тела в основном реализуется перемещением магнитного материала или источника поля. Используются 2 основные схемы устройства магнитного холодильника – с линейным возвратно-поступательным перемещением источника поля (или контейнера с магнитным материалом) и с круговым перемещением источника поля (или контейнера с магнитным материалом). Последняя схема получила название колёсной. В качестве источника магнитного поля используют сверхпроводящие магниты (соленоиды), постоянные магниты, иногда электромагниты (только в лабораторных устройствах). Сверхпроводящие магниты изготавливают как из низкотемпературных, так и из высокотемпературных сверхпроводников. В 1-м случае источники могут эксплуатироваться в т. н. вынужденном режиме, когда ток циркулирует в замкнутом соленоиде и не требует подпитки внешним источником питания. Сверхпроводящие источники поля в основном применяются в образцах магнитных холодильников, спроектированных на большую холодопроизводительность, а для устройств с небольшой холодопроизводительностью, работающих в области комнатных температур, применяются источники поля на основе постоянных магнитов.

По сравнению с традиционными холодильниками магнитные холодильники обладают рядом преимуществ. Прежде всего это близость процессов намагничивания или размагничивания к идеальному обратимому процессу, что должно обеспечивать устройству гораздо более высокую эффективность по сравнению с используемыми в настоящее время холодильниками, работающими по газовым и парогазовым циклам. Кроме того, магнитный материал представляет собой гораздо более плотное твёрдое тело, что обеспечивает компактность устройства. Магнитные холодильники не нуждаются в компрессорах, могут работать при низких частотах, что уменьшает их износ, и не используют вредных хладагентов. По сравнению с парогазовыми аналогами магнитные холодильники теоретически характеризуются гораздо большей суммарной эффективностью и энергосбережением. В некоторых исследованиях заявляется о теоретической эффективности, достигающей 80 % от эффективности цикла Карно. За последние годы создан ряд работающих лабораторных образцов магнитных холодильников, хотя коммерческие устройства на рынке по состоянию на 2020 г. отсутствуют.