唐永柏 等：室温磁制冷高场强永磁磁路 - 磁热效应是指磁致冷材料

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1、唐永柏等：室温磁制冷高场强永磁磁路793室温磁制冷高场强永磁磁路∗1112211唐永柏，陈云贵，向志刚，张明，王敬东，李焕杏，涂铭旌(1.四川大学金属材料系,四川成都610065；2.西南应用磁学研究所,四川绵阳621000)摘要：在中空圆柱型磁场源（hollowcylindricalflux0～7T和0～5T的磁场中，其磁场由液氦浸泡的超导source）的基础上，设计并制作出用于室温磁制冷机磁体提供，最后实现的制冷温跨分别为80K、38K；（往复式和旋转式）的高场强永磁磁路，在磁路工作制冷功率分别为6W、600W。但很显然在家用的磁制气隙为2

2、0mm时，工作气隙中心的场强的计算值及实冷机上使用超导磁体是不现实的，而简单的永磁磁路[6]测值均高于1.5T。设计不能满足室温磁制冷机所需的场强，如Bohigas关键词：磁热效应；室温磁制冷；永磁磁路在一旋转式室温磁制冷样机中，利用NdFeB永磁体中图分类号：TM144文献标识码：A互相平行放置，在磁体间隙间产生0.3T的场强，只文章编号：1001-9731（2004）增刊得到了1.6K的制冷温跨。因而，在室温磁制冷中设计出能产生高场强（普遍认为要高于1.5T）的永磁磁1引言路是很重要的。磁热效应是指磁致冷材料（磁工质）在变化的外2中空圆柱形

3、磁场源磁场中表现出的磁工质本身的熵变和温变的一种物[1]理现象。表征磁致冷材料磁热性能的重要参数是材在室温磁制冷中，简单的永磁磁路设计方法就料的等温磁熵变（△SM）和绝热温度变化（△Tad），是把两块永磁材料互相平行地对放，形成磁体的两[2,3][6]其热力学表示式为极。在两极的间隙之间产生一定的磁场，磁工质进H∂M（1）出磁场，进行磁化、退磁。但这种方式所提供的场强∆SM=∫dH0∂TH远不能满足室温磁制冷的需求。为了提高场强，人们H又使用高磁导率的软磁材料贴在永磁体的两端，形成T∂M（2）∆Tad=∫−C∂TdH有磁轭的

4、磁体回路[7]。但产生的场强要超过永磁材料0HH的剩磁仍很困难。其中M为磁化强度，H为外磁场强度，CH为一定磁[8~13]H.A.Leupold等人应用永磁块排列成一中空场强度下的材料比热。通常磁致冷材料在其居里温度圆柱形磁场源，在圆柱孔内（气隙）所产生的场强超Tc附近具有较大的磁热效应。过了永磁材料的剩磁Br，图1给出了这种中空圆柱形利用磁工质的磁热效应，可实现制冷的目的。最磁场源，图中箭头表示磁块充磁方向。该设计是基于近的研究主要集中在室温磁制冷的研究开发，特别是[14]Halbach的旋转定理（rotationtheorem），每个永

5、磁针对空调及家用冰箱的室温磁制冷样机的研究开发。块充磁后的磁化矢量的大小一定，方向按一定的角度在室温磁制冷的研究中，除了开发出居里点在室温附进行改变。最后通过永磁块之间的磁力线互相约束，近且有巨磁热效应的磁工质外，外磁场也是其关键技在圆筒孔内产生高的均匀场。在圆筒孔心处的最大磁术之一。对大多数磁制冷样机来说，磁工质与外磁场通密度B为要做相对运动，以便磁工质进出外磁场进行磁化、退B=Bln(rr)（3）磁。根据式（1）、（2），外磁场越高，磁场强度的变r0i化越大，磁热效应越显著，制冷效果越明显。在以往这里r0、ri分别表示圆筒的外半径和内半径。

6、[4]的室温磁制冷样机中，如Brown设计的样机及[5]Zimm等人设计的样机，分别使用Gd工质工作在*收稿日期：2004-04通讯作者：唐永柏作者简介：唐永柏（1973－），男，湖南永州人，博士，讲师，四川大学金属材料系，主要从事磁性材料及磁体技术的研究。（E-mail：tyb1973@163.com），Tel：028-85405670794功能材料2004年增刊（35）卷ZYX（R）图3磁路结构图图1中空圆柱形磁场源的结构Fig3Theconfigurationofmagneticcircuit以圆弧所对圆心为原点，工作气隙的中平面为Fig

7、1ConfigurationofhollowcylindricalfluxsourceXY平面，根据磁路的对称性，通过磁场计算得到XY3室温磁制冷用高场强永磁磁路设计平面的磁通密度分布如图4所示。另外计算出中平面上，工作气隙内不同半径所对应的弧线上磁通密度的很显然，上述图1所给出的中空圆柱形磁路结分布（见图5）。构，其气隙沿径向方向被永磁块封住的，磁工质只可从中空圆柱形磁体的两端进出，虽然对于往复式磁制冷机是可用的，但在旋转式磁制冷机中（如图2所示），磁工质在电机驱动下做周期性的圆周运动，以使磁工质进出磁场，因而必须在磁路上沿径向开一缝隙。根据

8、磁制冷样机总体设计的要求，我们进行了磁路结构的改进（见图3），图中磁块按一定顺序排列好后固定在外壳中，外壳的上下端材料为A3钢，可起到防止漏磁的作用，