专利名称：常温磁制冷演示仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于大学物理演示教学的技术领域。
技术背景常温磁制冷技术以及相关产品拥有着非常优越的性能和广阔的前景。与传统的制 冷技术相比，它的制冷效率可以提高20 % 30 %。尤其值得称道的是它不会产生氟利昂制 冷所带来的环境破坏问题。此外还具有能耗低、无噪音、体积小等优点。磁制冷就是利用磁热效应制冷；磁热效应是指磁制冷工质在等温磁化时向外界放 出热量，而绝热去磁时温度降低，从外界吸收热量的现象。磁热效应在材料的居里温度附近 最为显著，当作用有外磁场时，该材料的磁熵值降低并放出热量；反之，当去除外磁场时，材 料的磁熵值升高并吸收热量。目前，常温磁制冷技术还处于研究阶段。在一些实验室中，在研发磁制冷设备，通 过磁制冷的手段达到了降温制冷效果。目前在常温磁致冷推广及教学方面的工作存在欠 缺，没有可以演示常温磁制冷的教学装置
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，开发常温磁制冷演示仪用于演示教学，直观明 显的演示出磁制冷的整个过程，并且演示制冷程度随磁场强度大小变化的关系，进而辅助 磁制冷的理论教学及实验教学，增强大学理工科学生对磁制冷领域的了解。本实用新型以磁卡效应为理论基础，所述的磁卡效应，即指某些物质进入高磁场 区时，由于被磁化会放出热量；当其离开磁场时，由于消去了磁场会吸收热量。本实用新型 的工作物质就是基于这一原理。在电机的驱动下工作物质进入磁场区，由于被磁化而放出 热量，然后工作物质会离开磁场区，此时由于消去了磁场，工作物质会吸收部分热量。在教 学中直观的显示磁制冷现象有助于对磁卡效应的理解和对磁制冷应用的开发。本实用新型的技术方案是一种常温磁制冷演示仪，结构有产生磁场的永磁体3，其特征在于，以金属钆5作 制冷工质，金属钆5镶装在绝缘材料的工作盘1上，工作盘1由可控电机2带动旋转，金属钆 5作圆周运动进入或离开磁场；测温探头埋装在金属钆5内，通过电刷与测温表4电连接。所述的金属钆5可以是金属钆片，工作盘1可以是由绝缘材料加工的圆盘，靠近工 作盘1边缘镶有工作物质金属钆片。钆是一种稀土金属，因为钆具有居里温度接近室温的 特点，因此钆的常温磁制冷效应非常显著，因此优选金属钆片为制冷工质。金属钆片可以在 工作盘1上以工作盘1的旋转轴为对称中心安装多片，比如6 18片，有利于转速均勻。可以采用热电偶测温。将热电偶插入工作物质金属钆5内部，比方插埋在金属钆 片中，再通过圆盘上的电刷和导线连接到测温表上。这样就可以实时追踪测量插入热电偶 的金属钆片的温度。本实用新型的常温磁制冷演示仪要求有较高的磁场强度，而且磁场强度的大小在一定的范围内连续可调。因此选择如下的磁路设计和制作。所述的磁场是由永磁体3和电磁线圈11两个部分结构产生的叠加磁场；其中，永 磁体3由开口环形的磁轭13、在磁轭13两端分别安装的钕铁硼材料的磁块14、分别安置在 磁块14上的两块圆台形聚磁头15构成，两磁块14的异性磁极相对；其中，电磁线圈11同 轴的缠绕在永磁体3上，由连续可调的直流电源12供电。在线圈上加上电流，可以使磁场强度的大小发生变化，由于通过线圈的电流强度 连续可调，就可以产生在一定范围内连续变化的电流磁场，永磁磁场与电流磁场的叠加的 磁场强度大小也可以在一定范围内连续变化。在电机的驱动下重复上一个步骤的过程，就 可以直接观察并测量到具体数据，进而探讨磁制冷程度与磁场强度大小的关系。本实用新型以优化的参数确定实现了最优的实验效果；在原有永磁磁场的基础之 上增加了可以连续调节的电流磁场，这样就使这个仪器能够观察到磁制冷程度随磁场强度 大小变化的关系；热电偶与电刷的巧妙结合，可以实时追踪测量金属钆片的温度，这样就能 非常明显、非常直观的观察到整个物理过程中的热效应。本实用新型既弥补了室温磁制冷 演示教学装置的缺欠，加强了磁学领域的演示教学工作，又着眼于室温磁致冷技术的广阔 前景，力在促进该领域本身的技术改进和创新，对人才培养和市场开发都具有显著的推动 作用。
图1是本实用新型整体结构示意图。图2是图1的永磁体和电磁线圈组合的示意图。
具体实施方式
实施例1结合图1说明本实用新型的结构图1中，1为工作盘，2为可控电机，3为永磁体，4为测温表，5为金属钆。金属钆5 作制冷工质，镶装在绝缘材料的工作盘1靠近边缘处；可控电机2带动工作盘1旋转，使金 属钆5作圆周运动且周期的进入永磁体3产生的磁场；测温探头埋装在金属钆5内，通过电 刷与测温表4电连接。由图2，所述的永磁体3可以由磁轭13、磁块14和聚磁头15构成。磁轭13是开 口环形。在磁轭13两端分别安装的钕铁硼材料的磁块14，两磁块14的异性磁极相对。在 磁块14上可以分别安置圆台形聚磁头15，聚磁头15之间的空隙就是磁场区。实施例2结合图2说明本实用新型的永磁体和电磁线圈的结构。为了观察和测量制冷程度与磁场强度大小的关系，可以在永磁体3上同轴的装有 电磁线圈11 (螺线管)，电磁线圈11由连续可调的直流电源12供电，由换向开关改变电磁 线圈11的通电电流方向从而改变电磁线圈11产生的磁场的方向。这样的永磁体3和电磁 线圈11产生磁场的叠加，可以较大范围的改变磁场强度大小。具体的可以是永磁体3在6. 5mm的磁路间距的范围内可以提供了 1. 4 1. 7T的 固定大小的磁场。电磁线圈11可以使用-10 IOA的直流电源12供电，产生士0 0. 2T 的磁场叠加在永磁体3的磁场上。这样，聚磁头15间的磁场可以在1. 2 1. 9T范围改变， 就可以直接观察到制冷程度与磁场强度大小的关系。[0023]实施例3观察磁制冷现象在电机的驱动下，工作盘1转动，工作物质金属钆5进入磁场区，钆片由于被磁化， 产生热量，温度突然上升1.8k左右。此时让钆片在磁场区停留20秒左右时间，钆片将热量 缓慢散去，又回到初始的温度(回到了室温)。启动电机，让钆片离开磁场，温度会突然降低 1. 5k左右。这低于室温1. 5k的温度就是所演示的磁制冷效果。实施例4在磁轭处加铁片以增加磁场宽度工作盘有韧性以及磁场对工作物质Gd具有较强的吸引力，导致钆片被吸附在磁 铁上，摩擦生热。解决办法在磁轭处加铁片以增加磁场宽度。
权利要求一种常温磁制冷演示仪，结构有产生磁场的永磁体(3)，其特征在于，以金属钆(5)作制冷工质，金属钆(5)镶装在绝缘材料的工作盘(1)上，工作盘(1)由可控电机(2)带动旋转，金属钆(5)作圆周运动且进入或离开磁场；测温探头埋装在金属钆(5)内，通过电刷与测温表(4)电连接。
2.按照权利要求1所述的常温磁制冷演示仪，其特征在于，所述的磁场由永磁体(3)和 电磁线圈(11)两个部分结构产生的叠加磁场；其中，永磁体(3)由开口环形的磁轭(13)、 在磁轭(13)两端分别安装钕铁硼材料的磁块(14)、分别安置在磁块(14)上的两块圆台形 聚磁头(15)构成，两磁块(14)的异性磁极相对；其中，电磁线圈(11)同轴的缠绕在永磁体 (3)上，由连续可调的直流电源(12)供电。
3.按照权利要求1或2所述的常温磁制冷演示仪，其特征在于，所述的金属钆(5)是金 属钆片，金属钆片在工作盘(1)上以工作盘(1)的旋转轴为对称中心安装6 18片。
4.按照权利要求3所述的常温磁制冷演示仪，其特征在于，所述的测温探头，是热电 偶，插埋在金属钆片中。
专利摘要本实用新型的常温磁制冷演示仪属于大学物理演示教学的技术领域。结构有产生磁场的永磁体(3)，作为制冷工质的金属钆(5)镶装在绝缘材料的工作盘(1)上，工作盘(1)由可控电机(2)带动旋转，金属钆(5)作圆周运动且进入或离开磁场；测温探头埋装在金属钆(5)内，通过电刷与测温表(4)电连接。还可以将直流通电线圈同轴装在永磁体上得到场强叠加的大小可变的磁场。本实用新型能非常明显直观的演示和观察到磁卡效应整个物理过程；既加强磁学领域的演示教学工作，又促进磁致冷领域的技术改进和创新，对人才培养和市场开发都有推动作用。
文档编号G09B23/16GK201622739SQ20102014736
公开日2010年11月3日 申请日期2010年4月1日 优先权日2010年4月1日
发明者刘川, 刘春杰, 张志杰, 王仁生, 赵登 申请人:吉林大学