磁致冷卻效應的試驗裝置

摘要：磁致冷卻效應即磁熱效應，導磁材料在磁化過程中，內部趨向于磁有序，若此時去除磁場就會使得導磁材料內部重新回到磁無序狀態，這個過程需要從外界吸收大量的熱量，從而達到冷卻和制冷的效果。本研究搭建了一套磁致冷卻測試系統，包括永磁體試驗平臺和Labview測溫程序兩部分，利用這套系統可以實現磁場—熱量轉化過程的直觀觀察和分析，可以用于相應的電磁傳熱學機理研究及相應的教學示范。

關鍵詞：磁致冷卻；測試平臺；永磁體；Labview

中圖分類號：TM937 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）24-0261-03

一、概述

磁致冷卻效應即磁熱效應，導磁材料在磁化過程中，內部趨向于磁有序，若此時去除磁場就會使得導磁材料內部重新回到磁無序狀態，這個過程需要從外界吸收大量的熱量，從而達到冷卻和制冷的效果[1]。這一現象最早是由LANGEVIZ于1895年發現的。1933年GIANGUE首先等溫磁化導磁性工件，之后對工件進行絕熱去磁，最終獲得了低于1K的低溫。美國國家航空航天局曾經利用磁熱效應開發出一種制冷機，稱為Adiabatic demagnetization refrigerator。該制冷機能夠快速降低環境溫度，效率極高，幫助美國科學家開展多項科學實驗。勞倫茲教授等發現原子的運動形式和它們之間的距離會隨著外界磁場的變化而改變，在這個過程中還伴隨著吸熱與放熱[2]。另外有學者對不同材料的動態磁滯回線進行了研究，發現不同材料間的該參數數值差別較大[3]。磁致冷卻效應的測試和量化表征是一個難題，因此本研究提出一種磁致冷卻效應的試驗裝置，可以對磁場作用條件下的溫降情況進行定量表征。

二、磁致冷卻測試系統的搭建

（一）總體設計方案

磁致冷卻效應主要反映了磁場對溫度變化的影響。為了探究穩恒磁場對高溫鐵磁性工件溫降的影響，需要設計專門的磁致冷卻測試系統。設計過程中的難點主要有：

1.高溫試樣與空氣的溫差越大，傳熱越快。因此，高溫鐵磁性工件加熱取出后需要能夠快速地裝夾在夾具上。

2.高溫鐵磁性工件在磁場中受到磁場對它的吸引力，處理不當會導致工件撞擊到永磁鐵，發生事故。試驗平臺需要能夠安全地將高溫鐵磁性試樣固定在磁場中。為了解決這些問題，設計了如圖1所示的磁致冷卻測試系統，用于比較有無磁場條件下高溫鐵磁性工件的溫降變化情況。

磁致冷卻測試系統的搭建主要分為永磁體試驗平臺的設計和Labview測溫程序的設計。以下將具體對這兩部分進行介紹。

（二）永磁體試驗平臺設計

在不加磁場的條件下采集高溫工件的溫降曲線是非常容易的，但施加磁場之后，工件溫降曲線的采集難度大大增加。原因在于磁場的存在大大加大了工件裝夾的難度。稍有操作不當，極易發生事故。針對這種情況，試驗裝置需要解決高溫工件在磁場中的裝夾問題，保證試驗操作的安全性和便捷性。如圖2所示為搭建的永磁體試驗平臺。該永磁體試驗平臺主要可以分為以下幾部分：環形永磁體、環形金屬體、鋁制圓環、支撐平臺、高溫工件、階梯軸等。

1.環形永磁體作為穩恒磁場的發生裝置，能夠在圓環內部產生約280mT的穩恒磁場。

2.環形金屬體的形狀大小與環形永磁鐵相同，作用在于保證不施加磁場時工件的散熱條件與施加磁場時接近。

3.鋁制圓環的材料采用鋁合金，外徑略小于環形永磁體的內徑，裝夾時工件在鋁制圓環內部插入，這樣就保證了在裝夾過程中隔離工件和環形永磁體，增強了試驗操作的安全性和可靠性。

4.支撐平臺和階梯軸的材料均采用鋁合金。階梯軸與高溫鐵磁性工件通過螺紋固定，這樣就可以利用環形永磁體對工件進行磁化。

試驗時，工件加熱后取出與階梯軸通過螺紋來連接，將階梯軸沿支撐平臺中央的通孔從下向上放進去，鋁制圓環沿著工件從上向下放在支撐平臺的凸臺上，高溫工件在圓形筒體的內部。將環形永磁體沿著鋁制圓環從上向下放在平臺上。如果是不充磁條件下試驗，則將與環形永磁體大小相同的環形金屬體以相同的方式放入。隨后取出鋁制圓環，支撐平臺上的凸臺能夠起到固定環形永磁體或環形金屬體的作用。基于上述的永磁體試驗平臺，就可以完成高溫鐵磁性工件在有無磁場條件下的溫降對比，探究磁場對工件溫降的影響。

（三）Labview測溫程序的設計

Labview是一種基于圖形化編程語言的開發工具，目前廣泛地被工業領域和學術界所采用。在使用Labview編寫程序時，不需要編寫程序代碼，而是用流程圖或者程序框圖的形式來代替，這就大大降低了程序編寫的難度。Labview為程序設計者提供了一個方便、友好的設計環境，設計者利用它可以輕松搭建一個測量系統以及設計自己想要的儀器面板。本試驗中的Labview測溫程序的設計主要包括測溫程序前面板和程序框圖的設計。測溫程序前面板主要包括溫度采集模塊、冷端補償模塊、實時溫度顯示模塊以及數據文件保存模塊。如圖3為本次試驗中Labview測溫程序的前面板。

溫度采集模塊可以設置溫度采集范圍、采樣頻率以及選擇熱電偶類型。通過前面板的操作，能夠實時觀察高溫鐵磁性工件溫度的變化，同時溫度隨時間變化的數據也可以保存在計算機中，便于數據的處理分析。測溫程序的程序框圖如圖4所示。

三、磁致冷卻測試系統的測試結果分析

在進行試驗前，將工件放入電阻爐中加熱至500℃，保溫20min，取出后按照裝置要求裝夾。熱電偶測溫探頭插入工件頂部的孔內，采集溫度信號。熱電偶輸出端連接NI動態信號高速測試系統。在有磁場條件下將環形永磁體放置在支撐平臺上，在不加磁場條件下將環形金屬體放置在支撐平臺上。采集時Labview測溫程序中的顯示結果如圖5所示。有無磁場下溫降曲線對比如圖6所示。

從圖6中可以看出，在相同的散熱條件下，在磁場中電工純鐵的溫降速度明顯快于不加磁場的情況。這表明磁場能顯著地促進工件的散熱，對工件熱量有耗散作用。

四、結語

本研究搭建了一套磁致冷卻測試系統，包括永磁體試驗平臺和Labview測溫程序兩部分，利用這套系統可以實現磁場—熱量轉化過程的直觀觀察和分析，可以用于相應的電磁傳熱學機理研究及相應的教學示范。

參考文獻：

[1]姜峰，言蘭，黃陽，徐西鵬.磁場輔助加工的研究現狀及其發展趨勢[J].機械工程學報，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.