摘要：磁致冷卻效應即磁熱效應，導磁材料在磁化過程中，內(nèi)部趨向于磁有序，若此時去除磁場就會使得導磁材料內(nèi)部重新回到磁無序狀態(tài)，這個過程需要從外界吸收大量的熱量，從而達到冷卻和制冷的效果。本研究搭建了一套磁致冷卻測試系統(tǒng)，包括永磁體試驗平臺和Labview測溫程序兩部分，利用這套系統(tǒng)可以實現(xiàn)磁場—熱量轉(zhuǎn)化過程的直觀觀察和分析，可以用于相應的電磁傳熱學機理研究及相應的教學示范。

關(guān)鍵詞：磁致冷卻；測試平臺；永磁體；Labview

中圖分類號：TM937 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）24-0261-03

一、概述

磁致冷卻效應即磁熱效應，導磁材料在磁化過程中，內(nèi)部趨向于磁有序，若此時去除磁場就會使得導磁材料內(nèi)部重新回到磁無序狀態(tài)，這個過程需要從外界吸收大量的熱量，從而達到冷卻和制冷的效果[1]。這一現(xiàn)象最早是由LANGEVIZ于1895年發(fā)現(xiàn)的。1933年GIANGUE首先等溫磁化導磁性工件，之后對工件進行絕熱去磁，最終獲得了低于1K的低溫。美國國家航空航天局曾經(jīng)利用磁熱效應開發(fā)出一種制冷機，稱為Adiabatic demagnetization refrigerator。該制冷機能夠快速降低環(huán)境溫度，效率極高，幫助美國科學家開展多項科學實驗。勞倫茲教授等發(fā)現(xiàn)原子的運動形式和它們之間的距離會隨著外界磁場的變化而改變，在這個過程中還伴隨著吸熱與放熱[2]。另外有學者對不同材料的動態(tài)磁滯回線進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同材料間的該參數(shù)數(shù)值差別較大[3]。磁致冷卻效應的測試和量化表征是一個難題，因此本研究提出一種磁致冷卻效應的試驗裝置，可以對磁場作用條件下的溫降情況進行定量表征。

二、磁致冷卻測試系統(tǒng)的搭建

（一）總體設計方案

磁致冷卻效應主要反映了磁場對溫度變化的影響。為了探究穩(wěn)恒磁場對高溫鐵磁性工件溫降的影響，需要設計專門的磁致冷卻測試系統(tǒng)。設計過程中的難點主要有：

1.高溫試樣與空氣的溫差越大，傳熱越快。因此，高溫鐵磁性工件加熱取出后需要能夠快速地裝夾在夾具上。

2.高溫鐵磁性工件在磁場中受到磁場對它的吸引力，處理不當會導致工件撞擊到永磁鐵，發(fā)生事故。試驗平臺需要能夠安全地將高溫鐵磁性試樣固定在磁場中。為了解決這些問題，設計了如圖1所示的磁致冷卻測試系統(tǒng)，用于比較有無磁場條件下高溫鐵磁性工件的溫降變化情況。

磁致冷卻測試系統(tǒng)的搭建主要分為永磁體試驗平臺的設計和Labview測溫程序的設計。以下將具體對這兩部分進行介紹。

（二）永磁體試驗平臺設計

在不加磁場的條件下采集高溫工件的溫降曲線是非常容易的，但施加磁場之后，工件溫降曲線的采集難度大大增加。原因在于磁場的存在大大加大了工件裝夾的難度。稍有操作不當，極易發(fā)生事故。針對這種情況，試驗裝置需要解決高溫工件在磁場中的裝夾問題，保證試驗操作的安全性和便捷性。如圖2所示為搭建的永磁體試驗平臺。該永磁體試驗平臺主要可以分為以下幾部分：環(huán)形永磁體、環(huán)形金屬體、鋁制圓環(huán)、支撐平臺、高溫工件、階梯軸等。

1.環(huán)形永磁體作為穩(wěn)恒磁場的發(fā)生裝置，能夠在圓環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生約280mT的穩(wěn)恒磁場。

2.環(huán)形金屬體的形狀大小與環(huán)形永磁鐵相同，作用在于保證不施加磁場時工件的散熱條件與施加磁場時接近。

3.鋁制圓環(huán)的材料采用鋁合金，外徑略小于環(huán)形永磁體的內(nèi)徑，裝夾時工件在鋁制圓環(huán)內(nèi)部插入，這樣就保證了在裝夾過程中隔離工件和環(huán)形永磁體，增強了試驗操作的安全性和可靠性。

4.支撐平臺和階梯軸的材料均采用鋁合金。階梯軸與高溫鐵磁性工件通過螺紋固定，這樣就可以利用環(huán)形永磁體對工件進行磁化。

試驗時，工件加熱后取出與階梯軸通過螺紋來連接，將階梯軸沿支撐平臺中央的通孔從下向上放進去，鋁制圓環(huán)沿著工件從上向下放在支撐平臺的凸臺上，高溫工件在圓形筒體的內(nèi)部。將環(huán)形永磁體沿著鋁制圓環(huán)從上向下放在平臺上。如果是不充磁條件下試驗，則將與環(huán)形永磁體大小相同的環(huán)形金屬體以相同的方式放入。隨后取出鋁制圓環(huán)，支撐平臺上的凸臺能夠起到固定環(huán)形永磁體或環(huán)形金屬體的作用?；谏鲜龅挠来朋w試驗平臺，就可以完成高溫鐵磁性工件在有無磁場條件下的溫降對比，探究磁場對工件溫降的影響。

（三）Labview測溫程序的設計

Labview是一種基于圖形化編程語言的開發(fā)工具，目前廣泛地被工業(yè)領域和學術(shù)界所采用。在使用Labview編寫程序時，不需要編寫程序代碼，而是用流程圖或者程序框圖的形式來代替，這就大大降低了程序編寫的難度。Labview為程序設計者提供了一個方便、友好的設計環(huán)境，設計者利用它可以輕松搭建一個測量系統(tǒng)以及設計自己想要的儀器面板。本試驗中的Labview測溫程序的設計主要包括測溫程序前面板和程序框圖的設計。測溫程序前面板主要包括溫度采集模塊、冷端補償模塊、實時溫度顯示模塊以及數(shù)據(jù)文件保存模塊。如圖3為本次試驗中Labview測溫程序的前面板。

溫度采集模塊可以設置溫度采集范圍、采樣頻率以及選擇熱電偶類型。通過前面板的操作，能夠?qū)崟r觀察高溫鐵磁性工件溫度的變化，同時溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)也可以保存在計算機中，便于數(shù)據(jù)的處理分析。測溫程序的程序框圖如圖4所示。

三、磁致冷卻測試系統(tǒng)的測試結(jié)果分析

在進行試驗前，將工件放入電阻爐中加熱至500℃，保溫20min，取出后按照裝置要求裝夾。熱電偶測溫探頭插入工件頂部的孔內(nèi)，采集溫度信號。熱電偶輸出端連接NI動態(tài)信號高速測試系統(tǒng)。在有磁場條件下將環(huán)形永磁體放置在支撐平臺上，在不加磁場條件下將環(huán)形金屬體放置在支撐平臺上。采集時Labview測溫程序中的顯示結(jié)果如圖5所示。有無磁場下溫降曲線對比如圖6所示。

從圖6中可以看出，在相同的散熱條件下，在磁場中電工純鐵的溫降速度明顯快于不加磁場的情況。這表明磁場能顯著地促進工件的散熱，對工件熱量有耗散作用。

四、結(jié)語

本研究搭建了一套磁致冷卻測試系統(tǒng)，包括永磁體試驗平臺和Labview測溫程序兩部分，利用這套系統(tǒng)可以實現(xiàn)磁場—熱量轉(zhuǎn)化過程的直觀觀察和分析，可以用于相應的電磁傳熱學機理研究及相應的教學示范。

參考文獻：

[1]姜峰，言蘭，黃陽，徐西鵬.磁場輔助加工的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].機械工程學報，2016，（52）：1-9.

[2]Lorenz E N.Static stability and atmospheric energy[J].Massachusetts Institute of Technology，Department of Meteorology，1957.

[3]Arkhangelskaya G A，Dikan A I，Dobrokhotova V B.In questions of electrophysics of friction and cutting[J].Tr.Grok.Politekh.Inst，1974，30（4）：40.