磁制冷工质材料的研究进展

本文简要叙述了磁制冷的基本原理和历史发展,详细地总结了国内外不同温区的磁制冷工质材料的研究成果,并展望了磁制冷工质材料的研究前景。     

磁热效应材料的研究进展

磁制冷技术的发展取决于具有大磁热效应磁制冷材料的研发进展.经过长期的工作积累,特别是近20年来的努力,许多新型磁制冷材料的探索和研究极大地促进了磁制冷技术的进步.本文介绍了磁热效应的基本原理和磁制冷研究的发展历史,系统综述了低温区和室温区具有大磁热效应的磁制冷材料的研究进展,重点介绍了一些受到较为关注的磁热效应材料的最新研究成果.低温区磁制冷材料主要包括具有低温相变的二元稀土基金属间化合物(RGa,RNi,RZn,RSi,R_3Co以及R_(12)Co_7)、稀土-过渡金属-主族金属三元化合物(RTSi,RTAl,RT_2Si_2,RCo_2B_2,RCo_3B_2)以及四元化合物RT_2B_2C等,其中R代表稀土元素,T代表过渡金属.这些材料一般都具有二级相变,具有良好的热、磁可逆性,也因其合金属性具有良好的导热性.室温区磁制冷材料主要包括Gd-Si-Ge,La-Fe-Si,Mn As基,Mn基Husler合金,Mn基反钙钛矿,Mn-Co-Ge,Fe-Rh以及钙钛矿氧化物等系列.这些材料一般都具有一级相变,多数在室温具有巨大的磁热效应而受到国内外的极大关注.其中,La-Fe-Si系列是国际上普遍认为具有重要应用前景的磁制冷工质之一,也是我国具有自主知识产权的材料.本文还对磁制冷材料的发展方向进行了展望.     

新型MnFe基复合磁热材料及其在回热制冷循环中的性能特性

基于三种MnFe基磁热材料的热容及等温磁熵变随温度变化的实验数据,本文应用热力学理论设计一种新型MnFe基复合磁热材料,获得三种组分磁热材料与复合材料的优化摩尔质量比,进一步以该复合磁热材料为工质构建回热式Ericsson和Brayton制冷循环,基于热力学分析和数值计算,比较这两种制冷循环的非平衡回热量、净制冷量及性能系数等重要热力学参量,同时将复合材料的相关结果与单组分磁热材料的加以对比,结果表明:复合材料的大磁熵变温区要比任何一种组分材料的宽得多,而以复合材料为工质的制冷循环的净制冷量在近15 K温区内都较大,所得结果能为室温磁制冷机的参数优化设计提供有益的参考。     

磁制冷研究现状

在能源紧缺、全球气温上升、环境影响日趋严重的背景下,磁制冷作为一项高新绿色制冷技术,其发展前景为各国所看好。文中简要介绍了有关磁制冷样机的研究现状、磁制冷原理、磁制冷循环、磁制冷的关键技术,以及磁制冷的应用,并对磁制冷的趋势作出展望。     

一种耦合斯特林制冷效应的复合式磁制冷循环的数值模拟

介绍了一种斯特林回热式制冷效应和主动式磁制冷效应耦合的新型制冷循环。循环采用的回热填料钆既是磁制冷循环的磁热材料又是斯特林制冷的回热材料。通过斯特林回热式制冷循环和磁制冷效应的正面耦合叠加获得更优良的制冷效果。同时介绍了一种磁制冷回热器的数值计算模型,本模型是基于控制容积法计算的一维交变流动模型,并对常规回热器内填料能量控制方程进行了修正,考虑了磁性材料磁热效应的影响,添加内热源项。论文计算分析了系统相位角、压力和频率的变化对制冷性能的影响。文中给出的部分模拟结果对后续实验台的改造有一定的借鉴指导作用。     

小型室温磁制冷系统的改进及实验研究

基于先前报道的旋转内磁体式小型室温磁制冷系统,系统采用了新的双层同心嵌套式Halbach磁体组,开展了钆工质的制冷温跨与制冷量的实验研究。采用新的双层Halbach磁体组后,磁体组轴线处平均磁场强度由0.3?1.2 T提升至0.06?1.40T。在回热器两端绝热保温的工况下,采用新磁体组的系统在相似频率和利用系数下性能显著提升,并在1.25 Hz的运行频率下获得19.8K的制冷温跨。在系统引入高低温换热器的条件下,设定回热器高温端温度为27.5℃时,室温磁制冷机在7K制冷温跨下获得10W制冷量,工质比制冷量约47W·kg-1,并在1.7 K的制冷温跨下获得了50 W制冷量。     

不同换热时间对旋转式磁制冷性能影响

为分析不同换热时间对旋转式室温磁制冷系统制冷性能的影响,设计了一套以Gd颗粒钆(粒径：0.3-0.5 mm)为磁工质的双永磁旋转式室温磁制冷系统。通过对该系统制冷性能的试验研究,绘制出了不同工况下系统冷端温度的变化曲线,计算出其理想COP和实际COP。试验得出：在换热时间为2 s时冷端保温箱与环境温差最大为10℃,系统制冷系数最高,性能最好。     

新型复合室温磁制冷机实验性能研究

建立了一台新型旋转永磁体复合室温磁制冷机。通过实验,系统研究交变流动工质的系统工作频率和系统压力对磁制冷机性能的影响,并分析讨论实验结果。以氦气为换热流体工质,钆为磁性材料工质,在优化系统频率和系统压力条件下,磁制冷机获得了-7.7℃的最低无负荷制冷温度,以及10 K温差下50.5 W的最大制冷量。     

磁冰箱的原理

 2001年12月7日，美国能源部在艾奥瓦州立大学埃姆斯实验室的科研人员制成了世界上第一台能在室温下工作的磁冰箱，他利用铁磁性制冷工质进出磁场制冷，其效率比普通冰箱高30%以上，且无污染、无噪音、使用寿命长，是一种绿色环保的、极具发展前景的制冷技术，我国也已将“磁制冷冰箱项目”列入国家863科技计划。下面简要介绍一下磁制冷冰箱的工作原理。     

新型的氧化物磁制冷工质与隧道磁电阻材料--2004年度国家自然科学二等奖获奖项目介绍

文章介绍了2004年度国家自然科学二等奖获奖成果[21].类钙钛矿型材料是一类物理内涵极其丰富的化合物,它是著名的高温超导材料、铁电材料、压电材料,又是庞磁电阻效应材料,目前又显示出具有大磁熵变效应与隧道磁电阻效应.文章作者系统地研究了锰钙钛矿磁性化合物的磁熵变与组成、微结构以及颗粒尺寸的关系,研究结果表明,磁性钙钛矿化合物具有显著的磁熵变,居里温度易调,并且化学稳定性佳,从而成为一类新型的磁制冷工质候选材料.此外,文章作者还研究了钙钛矿化合物纳米颗粒体系的磁电阻效应,发现除人们发现的居里温度附近的本征的庞磁电阻效应外,在很宽的低温区,存在与温度不甚敏感的隧道磁电阻效应.     

基于磁悬浮大体积交叉光学偶极阱的Dimple光阱装载研究

三维拉曼边带冷却后的铯原子样品装载于一个磁悬浮的大体积交叉光学偶极阱中, 继续加载一个小体积的光学偶极阱后, 实现了Dimple光学偶极阱对铯原子的高效装载. 对不同磁场下磁悬浮大体积光阱的有效装载势能进行理论分析与实验测量, 得出最优化的梯度磁场和均匀偏置磁场, 获得了基于磁悬浮大体积光阱的Dimple光学偶极阱的装载势能曲线, 实现了Dimple光学偶极阱对经拉曼边带冷却后俘获在磁悬浮的大体积光阱中的铯原子样品的有效装载. 比较了Dimple光学偶极阱分别从拉曼边带冷却、大体积的交叉光阱和消除反俘获势后的磁悬浮大体积光阱装载的结果, 将俘获在磁悬浮大体积光阱中的铯原子样品装载到Dimple光学偶极阱, 铯原子样品的密度提高了约15倍.     

螺线管磁场缺陷对电子束横向温度的影响

分析了直螺线管磁场缺陷的来源,考虑了电子束的空间电荷作用,采用数值方法模拟计算了磁场缺陷对电子束横向温度的影响 ,获得了电子冷却装置中直螺线管磁场的均匀性要求.结果表明,当相对磁场缺陷小于1× 1 0-3时 ,影响可以被忽略.In order to obtain the tolerance requirement for the magnetic field homogeneity of the solenoids in electron cooling device, the source of the magnetic imperfection and its influence on the transverse temperature of electron beam were investigated by means of numerical simulation, and taking the space charge effect of electron beam into account. The calculated result shows that the influence of the imperfection of magnetic field will be negligible when the relative magnetic field...     

激光冷却在原子束六极磁透镜技术中的应用

分析了由六极磁场构成了原子束磁透镜的原理及像差。在比较了热原子束和单色冷原子束的会聚效果后得出结论：影响它成像的主要因素是色差。应用激光冷却技术能使这一影响减小,从而使磁透镜在原子光学领域得到更广泛的应用。     

Co掺杂对Mn$lt;sub$gt;3$lt;/sub$gt;Sn$lt;sub$gt;1-$lt;em$gt;x$lt;/em$gt;$lt;/sub$gt;Co$lt;sub$gt;$lt;em$gt;x$lt;/em$gt;$lt;/sub$gt;C$lt;sub$gt;1.1$lt;/sub$gt;化合物的磁性质、熵变以及磁卡效应的影响

利用固态反应法制备了Mn₃Sn_1-xCo_xC_1.1 （x=0.05,0.1,0.2） 系列化合物,研究了Co掺杂对其磁性质、相变、熵变的影响. 随着Co掺杂量的增加,样品的居里温度由283 K先降到212 K （Mn₃Sn_0.9Co_0.1C_1.1） 后又升到332 K （Mn₃Sn_0.2Co_0.8C_1.1）,相变类型由一级相变逐渐转变为二级相变. 增大Co的掺杂量,Mn₃Sn_1-xCo_xC_1.1化合物的熵变峰值逐渐减小,磁熵变温区由9 K展宽到300 K. 当Co掺杂量为0.2时,相对制冷量达到最高,为103 J/kg （磁场强度为1.6 MA/m）. 由于室温附近良好的磁致冷效应,该类材料在磁制冷领域可能具有重要的应用前景. 关键词： 磁性质 相变 磁卡效应 相对制冷量     

环形磁场金属等离子体源冷却流场的数值模拟与优化

环形磁场金属等离子体源作为一种全新的等离子体源结构,可用于产生高度离化、无大颗粒、高密度的离子束流,但传统流道结构不能保证其高效、均匀散热,大功率工作时可能引起密封胶圈的烧蚀失效,需对其冷却流场进行优化设计.利用Solidworks Flow Simulation软件对等离子体源冷却流道进行模拟,分析出入水孔分布角度、孔数、孔径以及入水孔高度对冷却效果的影响规律,并对流道结构参数进行优化.结果表明,增大水孔的周向分布范围,有利于提高散热的均匀性;入水孔设置在结构上层有利于减少冷却水的温度分层现象,使铜套和密封胶圈都处于较好的冷却状态;适当减小孔径有利于增大冷却水射流速度,增大湍流程度强化传热,提高换热效率.优化后的流场结构可以提高冷却水的利用率,在相同流量条件下获得更好的冷却效果,改善等离子体源的放电稳定性,为环形磁场金属等离子体源的冷却结构设计提供理论依据.     

Automatic compensation of magnetic field for a rubidium space cold atom clock

When the cold atom clock operates in microgravity around the near-earth orbit, its performance will be affected by the fluctuation of magnetic field. A strategy is proposed to suppress the fluctuation of magnetic field by additional coils, whose current is changed accordingly to compensate the magnetic fluctuation by the linear and incremental compensation. The flight model of the cold atom clock is tested in a simulated orbital magnetic environment and the magnetic field fluctuation in the Ramsey cavity is reduced from 17 nT to 2 nT, which implied the uncertainty due to the second order Zeeman shift is reduced to be less than 2×10~(-16). In addition, utilizing the compensation, the magnetic field in the trapping zone can be suppressed from 7.5 μT to less than 0.3 μT to meet the magnetic field requirement of polarization gradients cooling of atoms.     

HIRFL-CSR实验环电子冷却装置磁场测量

 在HIRFL-CSR实验环电子冷却装置上采用了独立的高精度螺线管串联产生纵向磁场的设计，获得很高的冷却段磁场平行度。使用霍尔片测量磁场的分布，使用磁针测磁方法测量冷却段磁场的磁轴偏角，并根据测量及计算结果对单个线圈磁轴进行微调。测量及调试结果表明，在施加电流为额定电流的一半时，冷却段磁感应强度为0.078 T，剩余磁场小于2×10^-4 T，磁场不平行度小于1×10^-4，达到了预期的设计目标。     

磁感应强度和冷却速率对Tb_(0.27)Dy_(0.73)Fe_(1.95)合金凝固过程中取向行为的影响

实验研究了磁感应强度和冷却速率对Tb_(0.27)Dy_(0.73)Fe_(1.95)合金凝固过程中(Tb,Dy)Fe_2相取向行为及合金磁性能的影响.结果表明,将强磁场作用于Tb_(0.27)Dy_(0.73)Fe_(1.95)合金的凝固过程可以制备出(Tb,Dy)Fe_2相沿111取向的组织,同时显著提高了合金的磁致伸缩性能;通过提高磁感应强度可以在更快的冷却速率下得到111取向的组织;在4-10 T范围内,随着冷却速率的增加,(Tb,Dy)Fe_2相沿111取向所需的磁感应强度增加,而发生(110)取向的磁感应强度减小.随着冷却速率的增加,合金的饱和磁化强度增加,而强磁场的施加对合金饱和磁化强度的变化没有明显影响.(Tb,Dy)Fe_2相的取向行为受*Tb,Dy)Fe_3相取向行为的影响,且由磁晶各向异性能与磁场作用时间共同控制.