基于金属Gd的室温旋转式磁致冷演示样机的设计.pdf

第5 8 卷第2 期 2 0 06 年5 月 有色金属 N o n I e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N O ．2 M a y 2006 基于金属G d 的室温旋转式磁致冷演示样机的设计 李胜强，张少伍 铜陵学院，安徽铜陵2 4 4 0 0 0 摘要磁致冷是利用磁介质在其居里温度T 。附近具有较大磁热效应的特性实现的一种物理现象。以稀土金属G d 为磁 致冷材料，对室温旋转式磁致冷演示样机进行了结构设计，演示样机可达4 ．4 K 的制冷温跨，用于设计性实验教学，具有良好的示 范作用。 ● 关键词金属材料；磁致冷；金属G d ；磁热效应；永磁体；热交换器；槽轮机构 中图分类号T B 6 5 1 ；T G l 3 2 ．2 7文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 2 0 0 3 4 一0 4 磁热效应是指磁致冷材料 磁工质 在变化的外 磁场中表现出的磁工质本身熵变和温变的一种物理 现象。通常磁致冷材料在其居里温度T ，附近具有 较大的磁热效应，利用其可实现制冷的目的。根据 实验得知，目前电冰箱和空调使用的氟利昂会污染 环境，而用磁致冷原理制作的冰箱则不仅不会破坏 环境，而且效率要比用氟利昂致冷高4 0 ％，成本低 2 5 ％。所以磁致冷技术是一项绿色节能、很有发展 前途的技术u _ 3J ，已经引起科技界的关注。参阅国 内外有关资料，进行了基于金属G d 的室温旋转式 磁致冷演示样机的设计，其工作原理如图1 所示。 图1室温磁致冷演示样机工作原理 F i g ．1P r i n c i p i u mo fam a g n e tr e f r i g e r a t i o np r o t o t y p e u n d e ra m b i e n tt e m p e r a t u r e 1高场强永磁磁路设计 在室温磁致冷样机的研究中，外磁场源是关键 技术之一，对大多数磁致冷样机来说，磁工质与外磁 场要做相对运动，以便磁工质进出外磁场进行磁化、 收稿日期2 0 0 5 1 1 0 7 作者简介李胜强 1 9 6 3 一 ，男，山东招远市人，讲师，主要从事物 理实验等方面的研究。 退磁。当然，外磁场越高，磁场强度的变化越大，磁 热效应越显著，制冷效果就越明显。国外设计的样 机，一般采用超导技术，其磁场由液氦浸泡的超导磁 体提供，场强达到5 ～7 T ，实现的制冷温跨达到 8 0 K ，制冷功率达到6 0 0 W [ 4 | 。然而在一般的制冷机 上使用超导磁体是不现实的，而简单的永磁磁路设 计尚不能达到满足室温磁致冷所需的场强，通常利 用N d F e B 钕铁硼 永磁体平行放置，在磁间隙问产 生0 ．3 T 左右的场强，只能得到1 ．6 K 的制冷温跨。 参照有关文献的做法【5J ，设计出实用的具有较高气 隙场强的永磁磁路。 图2 高场强永磁体结构 F i g ．2 S t r u c t u r eo fi n t e n s ef i e l dp e r m a n e n tm a g n e t i s m 旋转式磁致冷演示样机的永磁磁路如图2 所 示，用梯形和异形的N d F e B 材料共7 块组成，其剩 磁B ， 1 ．2 8 T ，缝隙宽度为2 0 m m ，为增大工作气隙 的场强，在磁路中加入二块铁磁质材料7 8 坡莫 合金或电磁软铁，形成有磁轭的完整磁路，磁块的充 磁方向及工作气隙内磁场的方向都在图中标出。使 用A N S Y S 有限元软件进行计算，磁路工作气隙中 心的场强为1 ．9 7 T ，实际场强约为理论值的9 0 ％， 可用霍尔探头伸入的方法测定。图3 为经电脑处理 后得到的截面磁力线分布。 万方数据 第2 期 李胜强等基于金属G d 的室温旋转式磁致冷演示样机的设计 3 5 图3 高场强永磁磁路磁力线分布 F i g ．3M a g n e t i cf l u xp l o tf o rh i g hf i e l d s t r e n g t hp e r m a n e n tm a g n e t i c 2 磁工质的结构设计 在众多可用于磁致冷的介质中，稀土金属被研 究的最多，其中金属G d 钆 及其合金的磁热性质备 受关注。稀土金属G d 在居里温度T 。 2 9 3 K 附近 具有较大的磁热效应，因绝热磁化引起的温度变化 △T 较为显著，其大小和符号由磁各向异性常数对 磁场B 的依赖关系所决定[ 6 】。在已知磁性物质中 具有较高的磁矩，而且其磁相转变温度可在很宽范 围内人为“调节”，加上良好的热传导性质，使得金属 G d 及其合金可在很宽的温度区域内做成实用的磁 致冷机。 图4 给出磁工质 磁致冷介质 的熵一温度关系 示意图。矩形A B C D 由两条等温线和两条绝热线组 成，代表从T c o l d 和T h o t 之间往复循环的卡诺循环。 卡诺循环的缺点是在高端温度较高时如图中的C 点向G 点移动，循环变得很窄，效率明显下降。再则 是当冷端温度较高时，效率也变得很低 如图4 中的 a b c d 循环 。此即卡诺循环型磁致冷机的应用被限 制在T 2 0 K 的低温范围的原因。 图4 用于磁致冷机的热力学循环S - T 图 F i g ．4 S Tg r a p ho ft h e r m o d y n a m i cc y c l e f o rm a g n e t i cr e f r i g e r a t o r 在较高温度 如室温附近 工作的磁致冷机必须 利用其他的热力学循环。图4 中的A F C E 和A G C H 分别由等磁线、等温线和等磁线、绝热线组成。国外 文献中分别称之为埃利克逊 E r i c s s o n 循环和布雷 顿 B r a y t o n 循环。在理论上对这些循环的温度间 距没有限制，但这两种循环在完成磁场变化方面有 区别，前者是在等温条件下完成磁场变化，后者是在 绝热条件下完成磁场变化。当然在循环过程中，从 冷端吸收热量并释放到热端以达到致冷效果，实际 上等磁场A F 和C - E 过程的实施并非简单，它需要 特别的技术。 如图5 所示，置于旋转轮盘上的磁工质由7 片 1 r a m 厚的扇形金属G d 板 约6 5 r a m 5 5 r a m 叠压 而成，中间用条状的同质垫片隔开，每二片相距 2 m m ，厚度合计1 9 m m ，让热交换器里的流体以平行 于G d 板的方向在板隙里通过。旋转轮盘用等厚的 有机玻璃板 聚甲基丙烯酸甲酯 车削而成，内外圆 直径分别为1 9 0 m m 和3 0 0 m m ，将三个金属G d 板组 合 磁工质 互以1 2 0 。的角间距固定在旋转轮盘的 外圆周上，有机玻璃接近磁工质的部分加工成流线 状以方便热交换介质流进流出。 A 图5 旋转轮盘部分结构示意 F i g ．5D i a g r a mo fp l a t ew h e e l 薄板状的金属G d 板组合设计，具有很高的比 表面积，可以保证它在热交换器中与热交换介质具 有一致、相对完全的热交换。再则，由于金属G d 具 有较大的亲氧力，在长期的使用过程中可能会氧化 以至影响其磁热性能，在装配前将金属G d 板组合 表面镀铜。理论和实验表明，铜包裹层对金属G d 的磁热熵效应影响甚微[ 7 | ，况且铜是热的良导体， 对磁介质与热交换介质之间的热交换几乎无影响。 金属G d 及其合金的磁热效应 m a g n e t o c a l o r i c e f f e c t ，M C E 由真空绝热测试系统测试旧J 。 3热交换器结构设计和热交换介质的 制备 热交换器箱体我们采取近1 ／2 圆柱形卧式设 计，内箱用1 m m 厚的白铁皮铆焊而成，上沿有一个 钢质金属框架用以固定磁工质轮盘旋转轴承，箱体 外部有一个各向尺寸均大于内箱3 0 m m 的嵌套有机 玻璃外箱体，内外箱体中间充满聚氯乙烯泡沫材料 用于保温。 内箱体中注入约占总容量7 5 ％的热交换介质 0 ．5 L ，箱体上方有一个隔热盖板，盖板上有条仅可 万方数据 3 6 有色金属第5 8 卷 让轮盘转动的缝隙，缝沿粘合软体材料以利于隔热。 热交换介质采用的是8 0 ％的水 2 0 ％的乙醇混合 溶液[ 3 】。加乙醇的目的在于降低热交换介质的比 热容且乙醇溶液的粘滞系统较小便于流动。 现在，在旋转轮盘的外圆周上，等距离地放着相 同的三个金属G d 板组合 磁工质 。让轮盘非连续 转动，盘每转动一次，各个金属G d 板组合就相应地 转过1 2 0 。，停留△￡时间 取磁化时间A t i s ，再转 动1 2 0 。⋯⋯，当第一个金属G d 板组合进入磁化区 后，由于磁化时间很短，可视为绝热磁化，故磁工质 的温度升高。但磁化区域与大气相通，其温度基本 不变，温度升高了的磁介质便会在△￡时间内将热 量散去，进而使温度降下来。进入负载区的第三个 金属G d 板组合，由于脱离磁化区的过程很快，可视 为绝热去磁，因而其温度降低，并在△￡时间内将负 载区内热量吸走，用这种系统可以比较清楚的说明 布雷顿循环的工作情况。周而复始，不断重复，从而 可将负载区 即热交换器内箱体包括其中的热交换 介质，与周围环境绝热 的温度降下来，实现磁致冷。 热交换介质 乙醇溶液 的温度用玻璃管状测温 计从隔热盖板打孔插入的方法测定。 4 旋转式磁致冷机械驱动结构设计 为实现轮盘的非连续转动要求，采用槽轮机构 设计。该机构主要由一个带圆销的主动拨盘和带3 个径向槽的从动槽轮构成，如图6 所示，为让轮盘每 转1 2 0 。停1 s ，由槽轮机构的性能参数计算【9J 运动 参数 从动槽轮运动时间／主动拨盘运动时间 Z 一2 ／2Z l ／6 其中z 3 为径向槽的数量 。则 主动拨盘的旋转角速度为甜控盘 2z r ／ 6 1 ／6 0 2 07 r r ／m i n 。 参考文献 将槽轮和轮盘共轴联接，利用电动机和减速装 置 合理配置减速比 ，使∞拨盘 2 0 丌 r ／m i n ，就可 实现轮盘的非连续转动。 图6 槽轮机构示意 F i g ．6D i a g r a mo fs l o ts t r u c t u r e 5 设计结果和分析 设计的磁场源用N d F e B 永磁体制作，其磁隙间 的平均实际场强达到约1 ．7 7 T ，以金属G d 的磁热 效应2 ．5 K ／T 计算[ 2 1 ，设计的演示样机可以达到 4 ．4 K 的制冷温跨，当然这是以热交换介质的致冷速 度大于吸热速度为前提的，用于教学，仍有良好的示 范作用。如果能够用少量C a 合金化的G d 5 S i 2 G e 2 材 料 即用少量C a 替代该材料中的s i 和G e 作为磁工 质，可以具有比金属G d2 9 3 K 更高的居里温度，且在 此温度附近存在着巨磁热效应 △T 提高1 倍多 E 1 02 ， 则演示样机可达到大于1 0 K 的制冷温跨。 如果磁致冷机采用先进的设计方案比如主动磁 热交换循环 A c t i v eM a g n e t i cR e g e n e r a t o rC y c l e ， A M R C 工艺[ 1 1 | ，同时提高冷、热两端的热交换效 率，并选取几种不同居里温度的磁热材料组合和采 用多级制冷循环，且机械结构的设计向着自动、小 型、高效和智能化发展。通过解决以上的技术难题， 不断改进磁致冷机的总体设计及制造技术，则在可 期的将来，室温磁致冷技术将实现实用化、商品化。 [ 1 ] 廖耀发，张立刚，张兆国，等．大学物理 上册 [ M ] ．武汉武汉大学出版社，2 0 0 1 1 8 5 ，1 9 7 ，2 0 7 2 0 8 ． [ 2 ] 金培育，刘金荣，王贵，等．磁致冷材料及技术[ J ] ．包头钢铁学院学报，2 0 0 0 ，1 9 3 2 6 7 2 7 0 ． [ 3 ] B r o w nGV ．M a g n e t i ch e a tp u m p i n gn e a rr o o mt e m p e r a t u r e [ J ] ．JA p p lP h y s ，1 9 7 6 ，4 7 8 3 6 7 3 3 6 8 0 ． [ 4 ] Z i m mCB ，J a s t r a bA ，S t e r n b e r gA ，e ta 1 ．D e s c r i p t i o na n dp e r f o r m a n c eo fan e a rr o o mt e m p e r a t u r em a g n e t i cr e f r i g e r a t o r [ J ] ． A d vC r y o gE n g ，1 9 9 8 ，4 3 5 1 7 5 9 1 7 6 6 ． [ 5 ] 唐永柏，涂铭旌，陈云贵，等．用于室温磁制冷机的高场强永磁磁路设计[ J ] ．电工电能新技术，2 0 0 3 ，2 2 4 4 8 5 2 ． [ 6 ] N i k i t i nSA ，T a l a t a e v aEV ，C h e r n i k o v aLA ，e ta 1 ．F e a t u r e so ft h em a g n e t i cb e h a v i o ra n do ft h em a g n e t o c a l o r i ce f f e c ti nas i n g l ec r y s t a lo fg a d o l i n i u m [ J ] ．S o vP h y sJ E T P ，1 9 7 8 ，4 7 1 1 0 5 1 0 9 ． [ 7 ] 邵元智，熊正烨，张介立．稀土纳米磁致冷复合材料[ J ] ．中国有色金属学报，1 9 9 6 ，6 1 7 0 一7 8 ． [ 8 ] 李卓棠，吴佩芳．稀土材料的磁热效应及其应用[ J ] ．化学进展，1 9 9 5 ，7 2 1 4 0 1 5 1 ． [ 9 ] 陈立德．机械设计基础 第二版 [ M ] ．北京高等教育出版社，2 0 0 0 6 7 6 9 ． [ 1 0 ] P e c h a r s k yVK ，G s e h n e i d n e rK AJ r ．E f f e c to fa l l o y i n go nt h eg i a n tm a g n e t o c a l o r i ee f f e c to fG d 5 S i 2 G e 2 [ J ] ．J M M M ，1 9 9 7 ，7 0 蓊翁 万方数据 1 6 7 1 7 0 1 8 4 ． [ 1 1 ] 朱向东，李远辉，吴卫．室温磁致冷材料成型研究[ J ] ．金属功能材料，2 0 0 3 ，1 0 2 3 1 3 4 ． AP r o t o t y p eD e s i g no fR e v o l v i n gM a g n e tR e f r i g e r a t i o na tA m b i e n tT e m p e r a t u r ew i t hM e t a lG d L IS h e n g - q i a n g ，Z H A N GS h a o - w u T o n g l i n gC o l l e g e ，T o n g l i n g2 4 4 0 0 0 ，A n h u i ，C h i n a A b s t r a c t T h em a g n e tr e f r i g e r a t i o ni sap h y s i c a lp h e n o m e n o nb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a g n e tm e d i u mw i t h ag r e a tm a g n e t h e a te f f e c ta tt h et e m p e r a t u r en e a rt h ec u r i eT c ．T h es t r u c t u r ed e s i g nf o rap r o t o t y p eo ft h er e v o l v i n gm a g n e tr e f r i g e r a t i o nw i t ht h er a r em e t a lG da st h em a g n e tm e d i u mr u n n i n gu n d e rt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei sc o n d u e t e d ．T h et e m p e r a t u r es p a no ft h ep r o t o t y p er e a c h e st o4 ．4 K ．T h ed e s i g nc a nb ead e m o n s t r a t i o ni n p r a c t i c a lt e a c h i n gf o rs t r u c t u r ed e s i g n ． K e y w o r d s s t r u c t u r em e t a lm a t e r i a l ；m a g n e tr e f r i g e r a t i o n ；m e t a lG d ；m a g n e t h e a t e f f e c t ；p e r m a n e n t m a g n e s t i m ；h e a tc o n v e r t e r ；s l o t 上接第2 8 页，C o n t i n u e df r o mP ．2 8 [ 6 ] 黄可龙，吕正中，刘素琴．锂离子电池容量损失原因分析[ J ] ．电池，2 0 0 1 ，3 1 3 1 4 2 1 4 4 ． [ 7 ] N a m - S o o nC h o i ，Y o u n g G iL e e ，J u n g K iP a r k ．E f f e c to fc a t h o d eb i n d e r o ne l e c t r o c h e m i c a l p r o p e r t i e so fl i t h i u mr e c h a r g e a b l e p o l y m e rb a t t e r i e s [ J ] ．J o u m a lo f P o w e rS o u r c e s ，2 0 0 2 ，1 2 2 2 6 1 6 6 ． S t u d yo nE l e c t r i c i t yP r o p e r t i e so fL i N i o ．s C 0 0 ．2 0 2P o s i t i v eE l e c t r o d e Z H O U J i a o h o n g 。L IO i ，Y EW e i ，X I O N GY i n g ，Z E N G Ⅺ I n s t i t M t Po fB a t t e r i e sa n dP o l y m e rM a t e r i a l s ，H u n a nU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h eD o s i t i v ee l e c t r o d eo ft h el i t h i u m i o nc e l li sp r e p a r e db yl i q u o rc a s t i n gw i t hL i N b ．8 C 0 0 ．2 0 2a sa c t i v em a t e r i a l s ．c a r b o nb l a c ka sc o n d u c t i v em a t e r i a l s ，P V D Fa sb i n d e r ，a n dt h ee f f e c to fb i n d e rP V D Fc o n t e n to nt h e D e r f o r m a n c eo ft h ec a t h o d ei si n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m a lc o n t e n to fP V D Fi nt h el i t h i u m i 。nc e l lc a t h o d ei s4 ％，p r e s e n t e db yt h eb e s tc y c l i n gp e r f o r m a n c eo f1 9 0m A h 。g 一1f i r s td i s c h a r g ec a p a c i t ya n d 9 1 ％f i r s tc o u l o m be f f i c i e n c y ．T h ed i s c h a r g ec a p a c i t ym a i n t a i n s9 7 ．8 ％ 1 8 3 2m A h a f t e rf i f t yc y c l e s ，w h i l e t h ec a t h o d ei sa s s e m b l e di n18 6 5 0b a t t e r y ． K e y w o r d s i n o r g a n i cn o n m e t a lm a t e r i a l ；l i t h i u mn i c k e lc o h a i t a t e ；p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ；p o s i t i v ee l e c t r o d e m a t e r i a l 万方数据