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本文主要研究了室温磁制冷材料La(Fe<,1-x>CoSiB<,X>)<,13>和La(FeCoSi)<,13>B<,x>的室温磁热效应,研制了永磁式室温磁热效应直接测量仪器、永磁式室温磁制冷样机及室温测量仪器和室温磁制冷样机用的磁场系统。
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而引起熵变(AS)来达到制冷的目的。磁制冷与传统的气体压缩制冷技术相比,具有效率高、耗能小、无污染等特点。室温磁制冷技术有广泛的应用范围,如家用制冷器,汽车空调,超级市场、食品工业、医疗卫生事业等领域使用的制冷器,因此室温磁制冷技术具有非常广泛的市场前景。
室温磁制冷机主要用电磁场和永磁体磁场作为磁场系统。电磁体的磁场强度高、磁场空间分布较均匀;电磁体可以提供几个乃至几十特斯拉的磁场,但是体积庞大,运行费用高。永磁磁场虽然磁场较低,但体积小,成本低,使用方便,是室温磁制冷机的必然选择。
磁路有三种计算方法:磁库伦定律法,磁欧姆定律法和有限元法。本文首先用磁库仑定律推导了永磁磁路的计算公式,用该公式指导设计了几种适合往复式和旋转式室温磁制冷机用的永磁磁场系统,并对磁场的磁感应强度进行了计算。详细指出了永磁磁体的选择原则,永磁磁体的用量与磁通密度的关系等。
其次,用NdFeB永磁磁场(1.48T)研究制作了一台室温磁热效应直接测量仪,磁场空间可达到φ30mm×100mm,磁场强度一致性较好。其测温范围在243-333K。磁热效应的测量一般分为直接和间接测量。间接测量方法繁琐,准确性低。直接测量△T<,ab>方法简单可行,误差与磁制冷机的实际工作误差相同。该仪器用高灵敏铂电阻传感器测量样品的温度变化,由计算机采集样品的温度信号,并控制整个测量过程,最终将准确的温度值记录并进一步处理,得到满意的数据。
该测量仪器的特征是磁场不动,通过样品进出磁场内外,测得样品在磁场内外的温度。其升温速率可调,测量温度间隔可调,最小温度间隔为0.5℃,这在实际上比测量等温磁化曲线的温度间隔还小。而且测量时间短,测量费用低,测量数据可随时处理,也可用其它软件再处理。该测量仪器的主要误差是样品的绝热情况,以及测量仪器的定标(测量等温磁化曲线及比热同样存在此问题),由于样品不可能完全绝热,造成测量数据偏低。第三,La(Fe,M)<,13>(M=Si,Co,Al)是目前人们重点研究的室温磁制冷材料,该材料磁热效应较大。本章采用廉价的工业纯原料重点研究了 LaFe<,11.17-x>Co<,0.78>Si<,1.05>B<,x>和LaFe<,11.17>Co<,0.78>Si<1.05>B<,x>(X=0,0.1,0.2,0.3)合金,B作为间隙原子添加在合金中,缩短了合金热处理时间,增大了磁热效应,并将合金的居里点提高到室温,为室温磁制冷的研制提供了性能高、价格低廉的实用材料。
最后,采用工业纯金属Gd和以工业纯原料制备的LaFe<,10.97>Co<,0.78>Si<,1.05>B<,0.2>作为磁工质,用NdFeB永磁体自行研制的稀土永磁磁场作为磁场系统,用pH值为10的水和少量酒精混合作为热交换液体,用AMR蓄冷技术研制了往复式室温磁制冷样机。该机在运行频率为0.178Hz,运行45分钟后冷热端温差达到18℃:调节不同的运行频率,得到了运行频率与最大制冷温差的关系,制冷温差与运行频率基本上是成正比的,循环频率越高,制冷温差越大。在制冷温差为5℃时,得到制冷功率接近20W,最大制冷功率为35W。