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室温磁制冷磁化场及其与磁工质相互作用的研究

唐永柏  
【摘要】: 在阅读了国内外大量文献及书籍的基础上,本文综述了磁制冷中三大关键技术——磁致冷材料(即磁工质)、磁化场、热力循环的研究发展概况,并针对室温磁制冷磁化场及其相关技术问题展开理论与实验研究。首先介绍自行设计的室温磁制冷装置及实验情况,并对该装置中的永磁磁化场进行设计计算,分析影响磁化场的一些因素;其次,应用先进的磁路设计方法,设计出适用于往复式和旋转式室温磁制冷机的高场强永磁磁路;然后研究磁工质与磁化场相互作用,并分析了其对磁制冷机带来的影响;最后针对室温磁制冷样机开发所必须的磁工质绝热温度变化参数,自行设计、建造了磁热效应(绝热温度变化)直接测量装置,并对装置中所用到的脉冲磁体,进行了设计、实验、比较。本研究达到预期目标,取得了如下创新性研究成果及新的研究进展: 1.采用串级的思想设计了一台室温磁制冷装置。实验研究发现:1)在串级的两端得到了4K的制冷温跨,实现了把小温差叠加成大温差的串级思想;2)采用专用的流体控制阀控制流体换热,并使用薄片状的磁工质,有利于制冷过程中的热交换;3)磁工质在绝热板上非对称布置,使得辅一级工质的磁化和去磁都较第二级工质有一提前角,以便该级的冷冻水用作第二级工质磁化时的冷却水,有利于拉大制冷温跨;非对称布置还有利于减小转矩。该装置与日本青木亮三的装置相比,其换热性能更好,所得到的制冷温跨要大得多,具体性能 四川大学博士学位论文 对比见表3一1。另外,根据磁制冷的实际情况,计算、分析了影响磁化场的一 些因素。这些为设计真正的室温磁制冷样机提供了技术上的储备并积累了经验, 同时,也为磁化场的设计提供了理论及实验基础,具有较大的工程意义。 2.创新性地把HalbaCh的旋转定理应用到室温磁制冷磁化场的设计中,并 结合聚磁技术有效地设计出了适用于往复式、旋转式室温磁制冷机用高场强永 磁磁路,其工作气隙中心的场强分别达到1.86T和 1.97T,设计的技术指标处 在国际先进水平。 3.首次较全面地分析了磁工质与磁化场相互作用(即磁化场对磁工质磁热 效应的影响;磁工质的形状对磁化场的影响;磁工质与磁化场相互作用力),并 阐述了磁工质与磁化场相互作用对磁制冷带来的影响。这对室温磁制冷中磁工 质形状的设计及磁制冷机的结构设计、布局及安装具有理论指导意义,并为有 效地利用磁化场和提高室温磁制冷样机的制冷效率具有现实意义。 4.采用不同的方法设计了一用于磁热效应直接测量的液氮冷却脉冲磁体, 其磁化场在O一2.2T可调,并就此设计、建造了一台磁热效应直接测量装置。 实验表明:该装置结构简单、经济实用,能较方便、准确地测量磁工质的绝热 温度变化。这为室温磁制冷样机的设计提供了更全面的实验数据,丰富了室温 磁制冷的研究手段。该装置已申请实用新型专利,其相关的学术论文已被SCI 收录。


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