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磁制冷是利用磁热效应的制冷方式。近年来在室温磁制冷的研究中取得了很多重大的进展,但这一切都还只是处于实验阶段,要真正走向市场还必须解决效率问题、可靠性问题和经济性问题。现在的一个主要问题就是现有的磁制冷机的输出功率都偏小,还远远达不到实用的水平。能不能大幅提高磁制冷功率就成为决定磁制冷能否成功走向市场的关键问题。
在本硕士论文中,作者通过理论研究,对如何提高室温磁制冷的功率做了一些研究和探索,并分别从几个方面着手提出了一些提高制冷功率的方法。本论文共分为六章:
第一章综述了磁制冷研究的历史、发展和现状。介绍了磁制冷相比于传统制冷方式所具备的优点和发展现状,还介绍了磁制冷材料(主要是应用于室温磁制冷方面)最新的研究成果,最后对磁制冷发展前景进行了展望。通过本章的介绍,我们将对磁制冷有一个概括的了解。
第二章简要介绍了磁制冷的原理和实现方法。包括磁热效应的物理机理(与气体膨胀制冷相对比),室温磁制冷所采用的循环以及采用的磁制冷工质,最后还对室温磁制冷的关键部件主动式磁蓄冷器(AMR)做了简单的介绍。
第三章对磁制冷中的关键部件主动式磁蓄冷器(AMR)的漏热进行了数值计算,得到了漏热的组成关系,发现沿径向的热传导影响最大,在低温下沿轴向的漏热也相当重要,从而对AMR结构在尺寸上从传热学计算角度提出了尺寸比例的理论限制。
第四章对磁制冷材料的热导率问题提出了一种新的解决方案。该方案通过将原来的室温磁制冷材料与高热导材料进行复合而得到一种热导增强型的复合室温磁制冷材料,这种材料的热传导主要由高热导材料承担,但因为引入了没有磁热效应的高热导材料,复合材料整体的磁热效应有一定损失。计算表明,如果调整好材料的比例,可以将室温磁制冷的制冷功率提高十数倍,为室温磁制冷的实用化提供了一种有效的方法。
第五章作者利用磁路定理并假定了通常使用的循环换热流体的压力差上限来计算磁制冷功率和永磁体体积之间的关系,进而说明室温磁制冷机的制冷量的受约束情况以及实用可能性,从而给出了磁制冷机设计成本的估计底限。
第六章对C型永磁体空腔内的磁场分布进行了数值计算。用于旋转式室温磁制冷机的C型永磁体在空腔内部产生的磁场现对与O型有了一定的削弱,本章通过数值计算从理论上提出了一种提高空腔内部磁场的解决途径。