磁制冷材料在复合磁制冷机中的制冷能力研究

摘要

磁制冷技术作为一种理论上无污染、高效率的制冷科技，有望被投入实际应用并进入人类生活。从磁制冷的研究开展至今，磁制冷材料的研究和磁制机器的研发获得的成果推动着磁制冷科技飞速发展。磁制冷材料的研究是磁制冷技术进步的根本，磁制冷机的研发到实际应用是磁制冷技术进步的最终目标。目前，全球范围内对于磁制冷材料的研究和磁制冷机器的研发已经具备一定基础，可是对于不同磁制冷材料在磁制冷机中的应用研究还较为缺乏。
　　实验利用实验室现有技术条件，对Gd基合金、La(Fe,Co,Si)13Bx合金、(La,Ce)(Fe,Mn,Si)13Hx合金进行制备，分析研究了三种材料制备过程和生产加工的差异。其中在材料制备过程中，Gd基合金制备周期短,容易成型，但是造价较高；La(Fe,Co,Si)13Bx合金制备周期相对较长，合金塑性差成型困难；(La,Ce)(Fe,Mn,Si)13Hx材料制备的周期更长，还存在关于氢气应用的安全性问题，对成型要求更高。
　　分析研究了三种材料磁热性能的差异和吸放热过程对于材料实际制冷应用中的利弊，其中吸放热过程所用的时间是材料的固有属性，Gd基合金的吸放热时间为3s，La(Fe,Co,Si)13Bx合金的吸放热时间为4s，(La,Ce)(Fe,Mn,Si)13Hx合金的吸放热时间为6s。在实际的制冷机工作时，Gd基合金和La(Fe,Co,Si)13Bx合金可以跨居里温度较远（5℃）进行分段填装而(La,Ce)(Fe,Mn,Si)13Hx合金材料则需要跨居里温度较近（2～3℃）进行分段填装。
　　利用实验室研发的AMR复合磁制冷机对三种材料在不同形态和机器工作环境条件下进行长时间连续制冷实验，分析研究了不同材料、不同机器工作条件对于磁制冷机的实际工作的影响。测试不同材料质量和不同磁场条件下Gd在AMR复合磁制冷机中的制冷能力，对于提升制冷温跨，增加材料填装量带来的效果更明显，而增加磁场强度更有利于提高短时间内制冷速度。对比同质量下甩带片和不规则颗粒的制冷能力，片状材料在制冷效果方面更优于不规则颗粒。测试了不同制冷床长度（18cm/25cm）条件下的制冷能力，长的制冷床(25cm)构成的AMR有效的将热端和冷端隔离开，减小了因为热端和冷端之间热量传递给制冷带来的压力。材料在制冷机中的测试结果显示，Gd基合金的制冷能力最佳，(La,Ce)(Fe,Mn,Si)13Hx合金材料制冷能力最差。

目录

声明

1 绪论

1.1磁制冷的定义

1.2制冷技术的特点和原理

1.2.1磁制冷技术的特点

1.2.2磁制冷技术的原理

1.2.3磁制冷的热力学基础

1.3磁制冷材料

1.3.1磁制冷材料的特点

1.3.2磁制冷材料的种类

1.3.3室温磁制冷材料的选择依据

1.3.4室温磁制冷材料存在的问题

1.3.5磁制冷材料的制备方法

1.4磁制冷机

1.4.1 磁制冷机的热力学循环

1.4.2磁制冷样机的分类

1.4.3磁制冷样机的制冷影响因素

1.4.4磁制冷机研究存在的问题

1.5 本文研究的内容

2 试验设备和实验内容

2.1 材料的制备

2.2 材料的测试

2.3 材料制备测试所用的仪器

2.4 磁制冷机系统

2.4.1 磁制冷机的磁场

2.4.2制冷机工作系统

2.4.3 材料在机器中的实验

3 实验结果与分析

3.1 Gd基磁制冷材料的实验结果分析

3.1.1 Gd基材料的制备和性能测试

3.1.2 Gd基材料的吸放热过程测试

3.1.3 Gd基材料在制冷机中的测试

3.2 La(Fe,Co,Si)13Bx磁制冷材料的实验分析

3.2.1 La(Fe,Co,Si)13Bx材料的制备和性能测试

3.2.2 La(Fe,Co,Si)13Bx合金材料的吸放热过程测试

3.2.3 La(Fe,Co,Si)13Bx合金材料在制冷机中的测试

3.3 (La,Ce)(Fe,Mn,Si)13Hx磁制冷材料的实验分析

3.3.1 (La,Ce)(Fe,Mn,Si)13Hx材料的制备和性能测试

3.3.2 (La,Ce)(Fe,Mn,Si)13H合金材料的吸放热过程测试

3.3.3 (La,Ce)(Fe,Mn,Si)13H合金材料在制冷机中的测试

3.4 Gd基合金、La(Fe,Co,Si)13Bx合金、(La,Ce)(Fe,Mn,Si)13Hx的差异

3.4.1 Gd基合金、La(Fe,Co,Si)13Bx合金、(La,Ce)(Fe,Mn,Si)13Hx 材料磁热性能差异

3.4.2 Gd基合金、La(Fe,Co,Si)13Bx合金、(La,Ce)(Fe,Mn,Si)13Hx 材料制冷能力差异

3.5 本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢