磁致冷却效应的试验装置

摘要：磁致冷却效应即磁热效应，导磁材料在磁化过程中，内部趋向于磁有序，若此时去除磁场就会使得导磁材料内部重新回到磁无序状态，这个过程需要从外界吸收大量的热量，从而达到冷却和制冷的效果。本研究搭建了一套磁致冷却测试系统，包括永磁体试验平台和Labview测温程序两部分，利用这套系统可以实现磁场—热量转化过程的直观观察和分析，可以用于相應的电磁传热学机理研究及相应的教学示范。

关键词：磁致冷却；测试平台；永磁体；Labview

中图分类号：TM937 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）24-0261-03

一、概述

磁致冷却效应即磁热效应，导磁材料在磁化过程中，内部趋向于磁有序，若此时去除磁场就会使得导磁材料内部重新回到磁无序状态，这个过程需要从外界吸收大量的热量，从而达到冷却和制冷的效果[1]。这一现象最早是由LANGEVIZ于1895年发现的。1933年GIANGUE首先等温磁化导磁性工件，之后对工件进行绝热去磁，最终获得了低于1K的低温。美国国家航空航天局曾经利用磁热效应开发出一种制冷机，称为Adiabatic demagnetization refrigerator。该制冷机能够快速降低环境温度，效率极高，帮助美国科学家开展多项科学实验。劳伦兹教授等发现原子的运动形式和它们之间的距离会随着外界磁场的变化而改变，在这个过程中还伴随着吸热与放热[2]。另外有学者对不同材料的动态磁滞回线进行了研究，发现不同材料间的该参数数值差别较大[3]。磁致冷却效应的测试和量化表征是一个难题，因此本研究提出一种磁致冷却效应的试验装置，可以对磁场作用条件下的温降情况进行定量表征。

二、磁致冷却测试系统的搭建

（一）总体设计方案

磁致冷却效应主要反映了磁场对温度变化的影响。为了探究稳恒磁场对高温铁磁性工件温降的影响，需要设计专门的磁致冷却测试系统。设计过程中的难点主要有：

1.高温试样与空气的温差越大，传热越快。因此，高温铁磁性工件加热取出后需要能够快速地装夹在夹具上。

2.高温铁磁性工件在磁场中受到磁场对它的吸引力，处理不当会导致工件撞击到永磁铁，发生事故。试验平台需要能够安全地将高温铁磁性试样固定在磁场中。为了解决这些问题，设计了如图1所示的磁致冷却测试系统，用于比较有无磁场条件下高温铁磁性工件的温降变化情况。

磁致冷却测试系统的搭建主要分为永磁体试验平台的设计和Labview测温程序的设计。以下将具体对这两部分进行介绍。

（二）永磁体试验平台设计

在不加磁场的条件下采集高温工件的温降曲线是非常容易的，但施加磁场之后，工件温降曲线的采集难度大大增加。原因在于磁场的存在大大加大了工件装夹的难度。稍有操作不当，极易发生事故。针对这种情况，试验装置需要解决高温工件在磁场中的装夹问题，保证试验操作的安全性和便捷性。如图2所示为搭建的永磁体试验平台。该永磁体试验平台主要可以分为以下几部分：环形永磁体、环形金属体、铝制圆环、支撑平台、高温工件、阶梯轴等。

1.环形永磁体作为稳恒磁场的发生装置，能够在圆环内部产生约280mT的稳恒磁场。

2.环形金属体的形状大小与环形永磁铁相同，作用在于保证不施加磁场时工件的散热条件与施加磁场时接近。

3.铝制圆环的材料采用铝合金，外径略小于环形永磁体的内径，装夹时工件在铝制圆环内部插入，这样就保证了在装夹过程中隔离工件和环形永磁体，增强了试验操作的安全性和可靠性。

4.支撑平台和阶梯轴的材料均采用铝合金。阶梯轴与高温铁磁性工件通过螺纹固定，这样就可以利用环形永磁体对工件进行磁化。

试验时，工件加热后取出与阶梯轴通过螺纹来连接，将阶梯轴沿支撑平台中央的通孔从下向上放进去，铝制圆环沿着工件从上向下放在支撑平台的凸台上，高温工件在圆形筒体的内部。将环形永磁体沿着铝制圆环从上向下放在平台上。如果是不充磁条件下试验，则将与环形永磁体大小相同的环形金属体以相同的方式放入。随后取出铝制圆环，支撑平台上的凸台能够起到固定环形永磁体或环形金属体的作用。基于上述的永磁体试验平台，就可以完成高温铁磁性工件在有无磁场条件下的温降对比，探究磁场对工件温降的影响。

（三）Labview测温程序的设计

Labview是一种基于图形化编程语言的开发工具，目前广泛地被工业领域和学术界所采用。在使用Labview编写程序时，不需要编写程序代码，而是用流程图或者程序框图的形式来代替，这就大大降低了程序编写的难度。Labview为程序设计者提供了一个方便、友好的设计环境，设计者利用它可以轻松搭建一个测量系统以及设计自己想要的仪器面板。本试验中的Labview测温程序的设计主要包括测温程序前面板和程序框图的设计。测温程序前面板主要包括温度采集模块、冷端补偿模块、实时温度显示模块以及数据文件保存模块。如图3为本次试验中Labview测温程序的前面板。

温度采集模块可以设置温度采集范围、采样频率以及选择热电偶类型。通过前面板的操作，能够实时观察高温铁磁性工件温度的变化，同时温度随时间变化的数据也可以保存在计算机中，便于数据的处理分析。测温程序的程序框图如图4所示。

三、磁致冷却测试系统的测试结果分析

在进行试验前，将工件放入电阻炉中加热至500℃，保温20min，取出后按照装置要求装夹。热电偶测温探头插入工件顶部的孔内，采集温度信号。热电偶输出端连接NI动态信号高速测试系统。在有磁场条件下将环形永磁体放置在支撑平台上，在不加磁场条件下将环形金属体放置在支撑平台上。采集时Labview测温程序中的显示结果如图5所示。有无磁场下温降曲线对比如图6所示。

从图6中可以看出，在相同的散热条件下，在磁场中电工纯铁的温降速度明显快于不加磁场的情况。这表明磁场能显著地促进工件的散热，对工件热量有耗散作用。

四、结语

本研究搭建了一套磁致冷却测试系统，包括永磁体试验平台和Labview测温程序两部分，利用这套系统可以实现磁场—热量转化过程的直观观察和分析，可以用于相应的电磁传热学机理研究及相应的教学示范。

参考文献：

[1]姜峰，言兰，黄阳，徐西鹏.磁场辅助加工的研究现状及其发展趋势[J].机械工程学报，2016，（52）：1-9.

[2]Lorenz E N.Static stability and atmospheric energy[J].Massachusetts Institute of Technology，Department of Meteorology，1957.

[3]Arkhangelskaya G A，Dikan A I，Dobrokhotova V B.In questions of electrophysics of friction and cutting[J].Tr.Grok.Politekh.Inst，1974，30（4）：40.