磁性材料(Mn0.70Fe0.30)5Sn3制冷性能的研究

论文总字数：15858字

目 录

1.引言···························4

2.传统制冷技术·······················4

2.1传统制冷技术的原理·····························4

2.2传统制冷技术的缺点···························5

2.3传统制冷技术与几种新型制冷技术的比较··················6

3.磁制冷技术························6

3.1关于磁介质的磁化····························7

3.2磁制冷技术的基本原理··························8

3.3磁制冷循环·······························8

3.4磁制冷材料·······························9

3.4.1磁制冷材料的性能表征·······················9

3.4.2主要研究的几种磁制冷材料·····················10

3.4.3磁熵变公式····························11

3.5磁制冷技术研究亟待突破的地方······················13

4. 材料磁熵变的计算·············13

4.1材料的M-T特性曲线···················14

4.2材料磁化强度特性曲线··················14

4.3材料的磁熵变计算····················15

4.3.1双一次插值逼近··························15

4.3.2利用程序计算磁熵变值·······················15

4.4不同外加磁场下磁性材料关系曲线·········18

4.5单位质量磁性材料Q--T特性曲线··············18

5.结论···························19

参考文献··························20

致谢····························21

磁性材料制冷性能的研究

孙孟

摘要：制冷技术与人类的生活息息相关。目前，家用制冷机仍主要使用传统的制冷技术，但传统的制冷技术对环境造成了巨大的影响。在这一环境之下，许多国家都在全力研发新式的制冷工艺。而这些制冷技术中，最有发展希望的便是磁材料制冷技术。本文首先测得磁性材料在0-1.5T外磁场中的磁化强度特性曲线；然后运用数值计算的方法求得居里温度附近，该材料分别处于0.6T、0.9T、1.2T、1.5T外磁场中的磁熵变值，得出在室温环境下，当外磁场变化范围达到1.5T时，该材料的最大磁熵变值为0.87；最后，我们利用1.5T外磁场情况下测得的特性曲线，求得在室温附近，单位质量该磁性材料与外界可以交换的热量可以达到200J。

关键词：传统制冷；半导体制冷；激光制冷；室温磁制冷；磁熵变

Research on Magnetic Refrigeration Properties of

Sun Meng

School of Physics and Optoelectronic Engineering,NUIST,Nanjing 210044,China

Abstract:Refrigeration technology is closely related to human life. At present, the household refrigerator is still mainly use the traditional refrigeration technology, but traditional refrigeration technology caused a huge impact on the environment. Under this environment, many countries are developing new refrigeration technology. The refrigeration technology, the most hope the development of refrigeration technology is magnetic materials. This paper measured the magnetic materials in 0-1.5 T the magnetization characteristic curve in the external magnetic field; And then near the Curie temperature is obtained by using the method of numerical calculation, the material in 0.6 T, 0.9 T, 1.2 T, 1.5 T magnetic entropy change of the external magnetic field value, it is concluded that under the room temperature environment, when the external magnetic field range is 1.5 T, the maximum magnetic entropy change of the material is 0.87; Finally, we use measured 1.5 T magnetic field situation.

Key words：traditional refrigeration;semiconductor refrigeration;laser cooling;room temperature magnetic refrigeration;magnetic entropy change

1. 引言

制冷是通过某种方式，将局部区域中的热量传递出去，并维持热量的传递，以保证这一区域与外界的温度差。数百年前，人们就用冰块制冷来增加食物的保质期。冰的恒定熔点是0摄氏度，这使得它成为有效的冷却剂。每公斤冰在融化时，必须吸收333KJ的能量。直到19世纪中期，所有用于冷却的冰都源自于自然。冬天时，我们从湖里开采冰块，然后将它们保存起来。到了19世纪90年代，美国每年仍要出口2500万吨冰。为了得到更低的温度，有时，我们会往雪里掺杂些盐（这一技术始于1600年）。在古罗马时期，这一技术便用于冰淇淋的生产。然而，随着湖水的污染、18、19世纪热力学理论以及相关学科的不断发展以及人们对制冷的需求量增加，我们现在所谓的传统制冷技术终究是取代了冰块制冷，采冰行业终被淘汰。

然而，随着社会的进一步发展，传统制冷暴露出许多问题。曾经的制冷剂——氟利昂，由于其的大量使用造成了臭氧层空洞，现已被禁止使用。大力研发替代氟利昂的制冷剂，虽然解决了臭氧层空洞的问题，但传统制冷机仍存在能源利用率低的问题，间接地造成地球温室效应的加剧，所以研究新的制冷技术才是解决问题的根本途径。

1. 传统制冷技术

2.1传统制冷技术的原理

传统制冷的过程分为两步：首先，在压力作用下，工作物质的物理状态发生变化；然后，在常态下，经过物化过程吸收热量。法国工程师Ferdinand Carre用氨和水制造出第一个冷却系统。1834年，Jacobs Perkins提出了第一个运用压缩技术的制冷设备，并用 乙醚有机物作为制冷剂。1913年，人们生产出了第一台家用制冷机。1929年，Dupont合成出含氯氟烃，并以氟利昂的名称投入生产。二氯二氟甲烷是一种无味、不易燃烧的化学物质，呈现较低的毒性。1931年，Electrolux实现了制冷机的工业化生产。随着电力生产的发展以及电动机产量的增加，制冷机生产也得到了提升。

在这里，我们来简要了解一下冰箱的基本结构，可以更好地了解传统制冷技术。图1家用冰箱的基本结构，是由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管以及蒸发器这五部分形成一个封闭的循环系统。压缩机消耗电能，吸收蒸发过后的制冷剂，将其压缩成高温高压气体；冷凝器将高温高压气态制冷剂很快变成低温高压液态，同时放出热量；干燥过滤器滤去系统中的水份与杂质，保证系统正常运行；毛细管其节流作用，将高温高压的液体节流成低温低压的液体；蒸发器通过制冷剂的蒸发吸收箱内物品的热量，保持箱内相对低温。所以，传统制冷技术原理十分简单，技术也十分成熟。

图1.冰箱的简单模型

2.2传统制冷技术的缺点

随着制冷剂CFC-R12、HCFC-R22(1935)、CFC-R502(1961)和HFC-R134(1993)等制冷剂的出现，制冷行业得到了重要发展。相比较于二氟一氯甲烷，氢氟烃的优势在于不会造成臭氧层空洞；然而，这两种有机物都有促使全球变暖的隐患。一种制冷剂所必备的特性有：对环境的友好性、化学稳定性、材料兼容性、制冷循环特性、不易燃性以及无毒性等等。

在现代社会，制冷技术有着重要地位，同时也在不断发展的过程中。2007年，法国的家用制冷机总量超过了2700万台。同年，冷藏机的总耗电量占到了法国总耗电量的21%，也就是消耗了180亿千瓦时的电能，相当于排放了22.5亿吨的二氧化碳。

从1973起，陆续有报道称大气层中含有氯氟烃。从那时起，制冷技术革新便成了科学家的主要任务，同时在政治上也有一席之地。对于这项技术，自然环境保护法成了又一项挑战。制冷技术是两件事情的焦点。第一件是臭氧层的空洞，第二件便是温室气体排放的加剧。蒙特利尔和京都协议书便是在这两个关注点上发展起来的。

这些国际规定为新型制冷技术和产品的涌现提供了重要机会。因此，近几年，科研人员研制出了更加有效的制冷剂和设备。此外，合成的制冷剂对环境的影响以及法律安全义务，都促使制冷制造企业探索新方法，以彻底消除温室气体的排放，或者用辅助设备减少其排放。

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