專利名稱：常溫磁制冷演示儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于大學物理演示教學的技術領域。
技術背景常溫磁制冷技術以及相關產品擁有著非常優越的性能和廣闊的前景。與傳統的制 冷技術相比，它的制冷效率可以提高20 % 30 %。尤其值得稱道的是它不會產生氟利昂制 冷所帶來的環境破壞問題。此外還具有能耗低、無噪音、體積小等優點。磁制冷就是利用磁熱效應制冷；磁熱效應是指磁制冷工質在等溫磁化時向外界放 出熱量，而絕熱去磁時溫度降低，從外界吸收熱量的現象。磁熱效應在材料的居里溫度附近 最為顯著，當作用有外磁場時，該材料的磁熵值降低并放出熱量；反之，當去除外磁場時，材 料的磁熵值升高并吸收熱量。目前，常溫磁制冷技術還處于研究階段。在一些實驗室中，在研發磁制冷設備，通 過磁制冷的手段達到了降溫制冷效果。目前在常溫磁致冷推廣及教學方面的工作存在欠 缺，沒有可以演示常溫磁制冷的教學裝置
實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題是，開發常溫磁制冷演示儀用于演示教學，直觀明 顯的演示出磁制冷的整個過程，并且演示制冷程度隨磁場強度大小變化的關系，進而輔助 磁制冷的理論教學及實驗教學，增強大學理工科學生對磁制冷領域的了解。本實用新型以磁卡效應為理論基礎，所述的磁卡效應，即指某些物質進入高磁場 區時，由于被磁化會放出熱量；當其離開磁場時，由于消去了磁場會吸收熱量。本實用新型 的工作物質就是基于這一原理。在電機的驅動下工作物質進入磁場區，由于被磁化而放出 熱量，然后工作物質會離開磁場區，此時由于消去了磁場，工作物質會吸收部分熱量。在教 學中直觀的顯示磁制冷現象有助于對磁卡效應的理解和對磁制冷應用的開發。本實用新型的技術方案是一種常溫磁制冷演示儀，結構有產生磁場的永磁體3，其特征在于，以金屬釓5作 制冷工質，金屬釓5鑲裝在絕緣材料的工作盤1上，工作盤1由可控電機2帶動旋轉，金屬釓 5作圓周運動進入或離開磁場；測溫探頭埋裝在金屬釓5內，通過電刷與測溫表4電連接。所述的金屬釓5可以是金屬釓片，工作盤1可以是由絕緣材料加工的圓盤，靠近工 作盤1邊緣鑲有工作物質金屬釓片。釓是一種稀土金屬，因為釓具有居里溫度接近室溫的 特點，因此釓的常溫磁制冷效應非常顯著，因此優選金屬釓片為制冷工質。金屬釓片可以在 工作盤1上以工作盤1的旋轉軸為對稱中心安裝多片，比如6 18片，有利于轉速均勻。可以采用熱電偶測溫。將熱電偶插入工作物質金屬釓5內部，比方插埋在金屬釓 片中，再通過圓盤上的電刷和導線連接到測溫表上。這樣就可以實時追蹤測量插入熱電偶 的金屬釓片的溫度。本實用新型的常溫磁制冷演示儀要求有較高的磁場強度，而且磁場強度的大小在一定的范圍內連續可調。因此選擇如下的磁路設計和制作。所述的磁場是由永磁體3和電磁線圈11兩個部分結構產生的疊加磁場；其中，永 磁體3由開口環形的磁軛13、在磁軛13兩端分別安裝的釹鐵硼材料的磁塊14、分別安置在 磁塊14上的兩塊圓臺形聚磁頭15構成，兩磁塊14的異性磁極相對；其中，電磁線圈11同 軸的纏繞在永磁體3上，由連續可調的直流電源12供電。在線圈上加上電流，可以使磁場強度的大小發生變化，由于通過線圈的電流強度 連續可調，就可以產生在一定范圍內連續變化的電流磁場，永磁磁場與電流磁場的疊加的 磁場強度大小也可以在一定范圍內連續變化。在電機的驅動下重復上一個步驟的過程，就 可以直接觀察并測量到具體數據，進而探討磁制冷程度與磁場強度大小的關系。本實用新型以優化的參數確定實現了最優的實驗效果；在原有永磁磁場的基礎之 上增加了可以連續調節的電流磁場，這樣就使這個儀器能夠觀察到磁制冷程度隨磁場強度 大小變化的關系；熱電偶與電刷的巧妙結合，可以實時追蹤測量金屬釓片的溫度，這樣就能 非常明顯、非常直觀的觀察到整個物理過程中的熱效應。本實用新型既彌補了室溫磁制冷 演示教學裝置的缺欠，加強了磁學領域的演示教學工作，又著眼于室溫磁致冷技術的廣闊 前景，力在促進該領域本身的技術改進和創新，對人才培養和市場開發都具有顯著的推動 作用。
圖1是本實用新型整體結構示意圖。圖2是圖1的永磁體和電磁線圈組合的示意圖。
具體實施方式
實施例1結合圖1說明本實用新型的結構圖1中，1為工作盤，2為可控電機，3為永磁體，4為測溫表，5為金屬釓。金屬釓5 作制冷工質，鑲裝在絕緣材料的工作盤1靠近邊緣處；可控電機2帶動工作盤1旋轉，使金 屬釓5作圓周運動且周期的進入永磁體3產生的磁場；測溫探頭埋裝在金屬釓5內，通過電 刷與測溫表4電連接。由圖2，所述的永磁體3可以由磁軛13、磁塊14和聚磁頭15構成。磁軛13是開 口環形。在磁軛13兩端分別安裝的釹鐵硼材料的磁塊14，兩磁塊14的異性磁極相對。在 磁塊14上可以分別安置圓臺形聚磁頭15，聚磁頭15之間的空隙就是磁場區。實施例2結合圖2說明本實用新型的永磁體和電磁線圈的結構。為了觀察和測量制冷程度與磁場強度大小的關系，可以在永磁體3上同軸的裝有 電磁線圈11 (螺線管)，電磁線圈11由連續可調的直流電源12供電，由換向開關改變電磁 線圈11的通電電流方向從而改變電磁線圈11產生的磁場的方向。這樣的永磁體3和電磁 線圈11產生磁場的疊加，可以較大范圍的改變磁場強度大小。具體的可以是永磁體3在6. 5mm的磁路間距的范圍內可以提供了 1. 4 1. 7T的 固定大小的磁場。電磁線圈11可以使用-10 IOA的直流電源12供電，產生士0 0. 2T 的磁場疊加在永磁體3的磁場上。這樣，聚磁頭15間的磁場可以在1. 2 1. 9T范圍改變， 就可以直接觀察到制冷程度與磁場強度大小的關系。[0023]實施例3觀察磁制冷現象在電機的驅動下，工作盤1轉動，工作物質金屬釓5進入磁場區，釓片由于被磁化， 產生熱量，溫度突然上升1.8k左右。此時讓釓片在磁場區停留20秒左右時間，釓片將熱量 緩慢散去，又回到初始的溫度(回到了室溫)。啟動電機，讓釓片離開磁場，溫度會突然降低 1. 5k左右。這低于室溫1. 5k的溫度就是所演示的磁制冷效果。實施例4在磁軛處加鐵片以增加磁場寬度工作盤有韌性以及磁場對工作物質Gd具有較強的吸引力，導致釓片被吸附在磁 鐵上，摩擦生熱。解決辦法在磁軛處加鐵片以增加磁場寬度。
權利要求一種常溫磁制冷演示儀，結構有產生磁場的永磁體(3)，其特征在于，以金屬釓(5)作制冷工質，金屬釓(5)鑲裝在絕緣材料的工作盤(1)上，工作盤(1)由可控電機(2)帶動旋轉，金屬釓(5)作圓周運動且進入或離開磁場；測溫探頭埋裝在金屬釓(5)內，通過電刷與測溫表(4)電連接。
2.按照權利要求1所述的常溫磁制冷演示儀，其特征在于，所述的磁場由永磁體(3)和 電磁線圈(11)兩個部分結構產生的疊加磁場；其中，永磁體(3)由開口環形的磁軛(13)、 在磁軛(13)兩端分別安裝釹鐵硼材料的磁塊(14)、分別安置在磁塊(14)上的兩塊圓臺形 聚磁頭(15)構成，兩磁塊(14)的異性磁極相對；其中，電磁線圈(11)同軸的纏繞在永磁體 (3)上，由連續可調的直流電源(12)供電。
3.按照權利要求1或2所述的常溫磁制冷演示儀，其特征在于，所述的金屬釓(5)是金 屬釓片，金屬釓片在工作盤(1)上以工作盤(1)的旋轉軸為對稱中心安裝6 18片。
4.按照權利要求3所述的常溫磁制冷演示儀，其特征在于，所述的測溫探頭，是熱電 偶，插埋在金屬釓片中。
專利摘要本實用新型的常溫磁制冷演示儀屬于大學物理演示教學的技術領域。結構有產生磁場的永磁體(3)，作為制冷工質的金屬釓(5)鑲裝在絕緣材料的工作盤(1)上，工作盤(1)由可控電機(2)帶動旋轉，金屬釓(5)作圓周運動且進入或離開磁場；測溫探頭埋裝在金屬釓(5)內，通過電刷與測溫表(4)電連接。還可以將直流通電線圈同軸裝在永磁體上得到場強疊加的大小可變的磁場。本實用新型能非常明顯直觀的演示和觀察到磁卡效應整個物理過程；既加強磁學領域的演示教學工作，又促進磁致冷領域的技術改進和創新，對人才培養和市場開發都有推動作用。
文檔編號G09B23/16GK201622739SQ20102014736
公開日2010年11月3日 申請日期2010年4月1日 優先權日2010年4月1日
發明者劉川, 劉春杰, 張志杰, 王仁生, 趙登 申請人:吉林大學