CN111289693A - 一种用于直接测量多卡效应的装置 - Google Patents

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于子原
张虎
龙克文
夏敏
王德坤
周贺
王一旭
龙毅
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University of Science and Technology Beijing USTB
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Abstract

本发明提供一种用于直接测量多卡效应的装置，属于固体制冷技术领域。该装置包括磁场系统、应力场系统、数据采集系统及温度控制系统，该装置各系统中，上压头通过上压头连接杆与万能试验机传动杆相连，下压头通过下压头固定杆固定在试验台上，磁铁位于上、下压头中间，磁铁通过夹具连接在丝杆滑台的轨道上，电机与滑台控制器相连，电加热片安放在下压头上，通过导线与可调节电源相连，样品位于磁铁中央通过温度采集元件与数据存储设备相连，本装置利用磁场系统与应力场系统对样品单独或者同时施加应力场与磁场，数据采集系统测量并存储样品在该过程中的温度变化及力学参数变化，从而研究测量样品的多卡效应。

Description

一种用于直接测量多卡效应的装置
技术领域
本发明涉及固体制冷技术领域，特别是指一种用于直接测量多卡效应的装置。
背景技术
气体压缩制冷技术是目前人类社会所使用的主要制冷方式，然而其中的气体制冷工质如氢氟烃、氯氟烃等会对地球的大气层造成破坏，加速全球气候的变暖，同时这种技术还存在能耗高的缺点。所以研发新一代更加高效、绿色、安全的制冷技术成为一项迫切的需要，而利用某些固体材料作为制冷工质的固体制冷技术是极具潜力的一类制冷技术。
传统固体制冷技术如磁卡效应、弹卡效应、电卡效应，是施加单一外场使材料产生热效应。基于弹卡效应的弹卡制冷技术是指对固体材料施加一个单轴应力，材料会在应力作用下发生内部结构的转变，该转变会吸收或者放出一定的热量。弹卡制冷一般使用如Ni-Ti合金、Cu-Zn-Al合金等形状记忆合金。这些合金在马氏体转变温度以上呈现奥氏体相，在马氏体转变温度以上10～20K的温度区间内，通过施加一个外界应力，促使合金由奥氏体相开始向马氏体相发生转变，这个过程中会放出热量。在合金完全转变为马氏体后，卸载合金上加载的应力，发生马氏体向奥氏体的可逆转变，此过程吸收热量，利用该加载-卸载的循环过程实现制冷的效果。此外，磁性物质具有磁卡效应，磁卡效应是磁制冷技术的基本原理。在磁性材料磁化或者退磁的过程中，会产生吸放热的现象，利用这一现象实现制冷的目的。
而一些具有一级磁-弹/磁-结构相变的La(Fe,Si)13、Heusler合金材料能够响应不同的外场而产生热效应，这种同时具有多种热效应的现象称之为“多卡效应”。通过同时或连续施加不同外场能够获得多卡效应，其热效应显著优于单一场致热效应，并已逐渐成为推动固体制冷新的研究热点。多卡效应将多种热效应有效结合，能够进一步提高固体制冷的效率、稳定性与实用性。有望取代目前的气体压缩制冷技术，成为未来的一种新型安全、清洁、高效的制冷手段。
然而由于多卡效应研究尚处起步阶段，目前尚无商业化的多卡效应测试装置，这极大地限制了多卡效应的研究及后续的应用。因此，研发一种可以用于直接测量多卡效应的装置是目前多卡效应研究的重点
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于直接测量多卡效应的装置，以实现对于固体制冷介质的研究。
该装置包括磁场系统、应力场系统、数据采集系统及温度控制系统；磁场系统包括磁铁及磁铁移动装置，应力场系统包括电子万能试验机，数据采集系统包括温度采集元件及数据存储设备，温度控制系统包括电加热片、可调节电源及导线，其中，电子万能试验机包括万能试验机传动杆、上压头连接杆、上压头、下压头、下压头固定杆及试验台，磁铁位于上、下压头中间，磁铁固定在磁铁移动装置上，电加热片安放在下压头上，并通过导线与可调节电源相连，样品上连接温度采集元件，温度采集元件与数据存储设备相连。
磁铁移动装置包括丝杆滑台、电机、丝杆轨道、夹具及滑台控制器，丝杆滑台上方设置电机，电机与滑台控制器相连，丝杆滑台中间设置丝杆轨道，夹具设置在丝杆轨道上，夹具中间夹持磁铁。
电子万能试验机的上压头通过上压头连接杆与万能试验机传动杆相连，下压头通过下压头固定杆固定在试验台上。
磁铁为永磁体，其形状为圆环柱体，由12块扇形钕铁硼磁铁拼接而成，磁铁高度高于样品高度。
磁铁由夹具带动，在滑台控制器的控制下沿丝杆轨道做竖直往返运动，实现对样品施加或撤除磁场的功能。
磁铁的内部磁场强度为1.0T-1.2T，磁场方向为沿直径的方向。
电子万能试验机为样品提供竖直方向的单向应力。
上压头与下压头为无磁性材质，最高承受2.5kN的压力。
上压头与下压头的直径小于磁铁的内径，上压头的高度高于磁铁的高度。
电加热片通过可调节电源为其供电，电加热片温度升高，热量传递至样品。
样品通过调节电源功率来调节样品温度，温度数据通过温度采集元件传输至数据存储设备实时显示。
温度采集元件采用没有磁性的材料制成。
温度采集元件固定在样品的中间部位。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，利用磁场系统与应力场系统对样品单独或者同时施加应力场与磁场，数据采集系统测量并存储样品在该过程中的温度的变化以及力学参数的变化，从而研究测量样品的多卡效应。
附图说明
图1为本发明的用于直接测量多卡效应的装置的结构示意图；
图2为本发明的用于直接测量多卡效应的装置的所使用磁铁示意图；
图3为本发明的用于直接测量多卡效应的装置的施加磁场与撤除磁场的示意图。
其中：1-电子万能试验机，1-1-万能试验机传动杆，1-2-上压头连接杆，1-3-上压头，1-4-下压头，1-5-下压头固定杆，1-6-试验台，2-磁铁，3-样品，4-电加热片，5-可调节电源，6-导线，7-丝杆滑台，7-1-电机，7-2-丝杆轨道，7-3-夹具，7-4-滑台控制器，10-温度采集元件，11-数据存储设备。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的尚无商业化的多卡效应测试装置的问题，提供一种用于直接测量多卡效应的装置。
如图1所示，本发明装置包括磁场系统、应力场系统、数据采集系统及温度控制系统。
磁场系统中，使用内部为均匀磁场的环状柱状磁铁2，样品3放置于磁铁2内部，样品3为圆柱体或长方体，上下表面面积应小于上压头1-3与下压头1-4的接触面面积，样品3高度应低于磁铁2高度，磁铁2安装在滑台装置上，由夹具7-3夹持，在滑台控制器7-4的控制下可以做竖直往返运动，实现对样品3的施加或撤除磁场的功能，在整个过程中，磁铁2的内部磁场强度要大，在施加磁场时，样品3要在磁铁2中心，撤除磁场时，要保证样品3完全脱离磁铁2内部中心范围。
如图2所示，磁铁2由12块扇形钕铁硼磁铁拼接而成，每块扇形磁铁上箭头标明了该部分磁铁的内部磁场方向，磁铁内部中空部分磁场为一个均匀磁场，场强大小为1.0-1.2T，以此保证样品在测量时各个部分所受到的磁场作用一致，磁场方向如箭头所示平行于直径方向，脱离磁场内部区域后，磁场强度可忽略不计。
磁铁移动装置由丝杆滑台7、滑台控制器7-4及夹具7-3组成，磁铁2被夹具7-3固定后安装在丝杆滑台7上，丝杆滑台7受到滑台控制器7-4的控制，带动夹具7-3与磁铁2可以沿丝杆轨道7-2竖直上下移动，实现对样品的施加与去除磁场的功能，移动过程中通过控制器设置移动距离，以保证磁铁2不会与压头的连接杆相撞。
如图3所示，滑台控制器7-4控制磁铁2移动，当磁铁2移动至图3左图所示位置，脱离样品3时，此时样品3不受磁场作用；当磁铁2移动至图3右图所示位置时，样品3处在磁铁2内部，样品3受到磁场作用。
应力场系统中，电子万能试验机1为样品3提供竖直方向的单向应力，直接接触样品3的上压头1-3与下压头1-4为无磁性材质，以保证其不受磁场影响。
上压头1-3和下压头1-4直径要小于磁铁内径，上压头1-3高度要高于磁铁2高度，保证可以通过竖直向上移动磁铁2来撤除对样品3所施加的磁场，压头高径比要小，以保证压头可以承载更大的应力载荷，最高可承受2.5kN的压力，利用电子万能试验机1控制系统可以实现对样品加载、卸载压力的功能，其系统可以自定义加载速度、加载时间、加载应力大小、循环次数等。
温度控制系统中，包括电加热片4、导线6及可调节电源5，电加热片4固定在下压头1-4表面，使用可调节电源5为其供电，间接为样品3加热，扩大所测量多卡效应的温度区间，温度数据通过连接在样品3表面的温度采集元件10传输至数据存储设备11实时显示，通过调节电源功率来调节样品3的温度。
数据采集系统中，温度采集元件10需采用没有磁性或磁性极小的材料，以免对整个系统的精确性产生影响，温度采集元件10需固定在样品3的中间部位，用以精确采集材料的温度变化，力学性能的采集由万能试验机自带数据采集模块完成。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于直接测量多卡效应的装置，其特征在于：包括磁场系统、应力场系统、数据采集系统及温度控制系统；磁场系统包括磁铁(2)和磁铁移动装置，应力场系统包括电子万能试验机(1)，数据采集系统包括温度采集元件(10)及数据存储设备(11)，温度控制系统包括电加热片(4)、可调节电源(5)及导线(6)，其中，电子万能试验机(1)包括万能试验机传动杆(1-1)、上压头连接杆(1-2)、上压头(1-3)、下压头(1-4)、下压头固定杆(1-5)及试验台(1-6)，磁铁(2)位于上压头(1-3)和下压头(1-4)中间，磁铁(2)固定在磁铁移动装置上，电加热片(4)安放在下压头(1-4)上，电加热片(4)通过导线(6)与可调节电源(5)相连，样品(3)置于磁铁(2)中央，样品(3)上连接温度采集元件(10)，温度采集元件(10)与数据存储设备(11)相连。
2.根据权利要求1所述的用于直接测量多卡效应的装置，其特征在于：所述磁铁移动装置包括丝杆滑台(7)、电机(7-1)、丝杆轨道(7-2)、夹具(7-3)及滑台控制器(7-4)，丝杆滑台(7)上方设置电机(7-1)，电机(7-1)与滑台控制器(7-4)相连，丝杆滑台(7)中间设置丝杆轨道(7-2)，夹具(7-3)连接在丝杆轨道(7-2)上，夹具(7-3)中间夹持磁铁(2)。
3.根据权利要求1所述的用于直接测量多卡效应的装置，其特征在于：所述上压头(1-3)通过上压头连接杆(1-2)与万能试验机传动杆(1-1)相连，下压头(1-4)通过下压头固定杆(1-5)固定在试验台(1-6)上。
4.根据权利要求1所述的用于直接测量多卡效应的装置，其特征在于：所述磁铁(2)为永磁体，形状为圆环柱体，磁铁(2)由12块扇形钕铁硼磁铁拼接而成，磁铁(2)高度高于样品(3)高度；磁铁(2)的内部磁场强度为1.0T-1.2T，磁场方向为沿直径方向。
5.根据权利要求1所述的用于直接测量多卡效应的装置，其特征在于：所述磁铁(2)由夹具(7-3)带动，在滑台控制器(7-4)的控制下沿丝杆轨道(7-2)做竖直往返运动，实现对样品(3)施加或撤除磁场的功能。
6.根据权利要求1所述的用于直接测量多卡效应的装置，其特征在于：所述电子万能试验机(1)为样品(3)提供竖直方向的单向应力。
7.根据权利要求1所述的用于直接测量多卡效应的装置，其特征在于：所述上压头(1-3)与下压头(1-4)为无磁性材质，上压头(1-3)和下压头(1-4)最高承受压力为2.5kN；上压头(1-3)与下压头(1-4)的直径小于磁铁(2)的内径，上压头(1-3)的高度高于磁铁(2)的高度。
8.根据权利要求1所述的用于直接测量多卡效应的装置，其特征在于：所述电加热片(4)通过可调节电源(5)供电，电加热片(4)将热量传递至样品(3)。
9.根据权利要求1所述的用于直接测量多卡效应的装置，其特征在于：所述温度采集元件(10)采用无磁性材料制成。
10.根据权利要求1所述的用于直接测量多卡效应的装置，其特征在于：所述温度采集元件(10)固定在样品(3)的中间部位。
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