专利名称：脉冲式磁热效应直接测量装置的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型属于磁致冷材料的磁热效应的测量装置技术领域，是一种背景场为脉冲磁场的磁热效应直接测量装置。
二背景技术：
磁热效应是磁致冷材料的一种固有特性，它是在外加磁化场的变化下，引起材料内部磁熵的改变，从而产生的吸、放热现象。这种现象在居里温度附近最显著，利用这种现象可达到致冷的目的。表征材料磁热效应的两个重要参数为等温磁熵变(ΔSM)和绝热温度变化(ΔTad)。等温磁熵变越大，材料的制冷能力就越大；绝热温度变化越大，制冷时能够实现的温跨越大，热交换越容易。因此，这两个参数对于磁致冷材料及磁制冷机的研究开发都非常重要。
近年来，各种磁致冷材料层出不穷，而在研究其磁热性能中测量磁热效应的方法有两种一种是间接测量法，即根据材料的磁化和热容实验数据，通过计算得到ΔSM和ΔTad；另一种是直接测量法，即通过测量装置直接监测磁致冷材料在磁化、去磁时的绝热温度变化ΔTad(磁化时，在绝热条件下样品温度升高；去磁时，在绝热条件下样品温度降低)。对于直接测量法中采用的测量装置，已有技术报道用脉冲螺线管磁体提供磁化场的装置有S.Yu.Dna’kov等人设计的(Rev.Sci.Instrum.68(6)，2432～2437，1997.)和B.K.Ponomarev设计的(Instum.Exp.Tech.26,659～662，1983)。这两种装置具有以下缺点一、由于设计脉冲磁体产生的最高磁场强度为8T，而要达到8T，则设备的投资和运行费用大；二、采用电容器放电来产生脉冲电流，脉冲宽度单一，对具有不同磁热响应速度的磁致冷材料的绝热温度变化的测量不利，故适用范围窄；三、由于样品夹具采用的是金属材料，对绝热效应的测量结果有影响，不能完全真实反映材料的绝热温度变化。
三
发明内容
本实用新型的目的是解决已有技术存在的问题，提供一种脉冲宽度可调，适用范围更广的脉冲式磁热效应直接测量装置。本实用新型的另一目的是提供一种在上述装置基础上，使测量结果更为准确的脉冲式磁热效应直接测量装置。
本实用新型提供的脉冲宽度可调，适用范围更广的脉冲式磁热效应直接测量装置是由磁体系统、样品室、恒温系统和温度测量系统组成。磁体系统包括脉冲电源、螺线管磁体、液氮杜瓦，螺线管磁体浸泡在液氮杜瓦的液氮中，并与脉冲电源相接来产生磁场。样品室位于恒温系统内，且通过一隔离套安装在螺线管磁体中心。温度测量系统中环境温度计一端与恒温块相连，另一端置于参考温度点中，并通过导线与二次仪表相连，用于测量样品工作环境的绝对温度；差分温度计一端的其中一个节点置于与样品室接近的恒温块处，另一个节点置于样品中心处，另一端从测量杆内经密封接头的接线柱上的导线引出先置于参考温度点中，然后再通过导线与二次仪表相连。其特征在于脉冲电源为稳流脉冲电源，其脉冲宽度可调。所用的稳流脉冲电源的最大功率为22KW，电流从0～200A连续可调，其脉冲宽度可在1、2、3、4、5秒五档间调节。
为了达到本实用新型的另一目的所提供的脉冲式磁热效应直接测量装置，是在上述装置的基础上，在样品室内固定样品位置的两端各设置一个热绝缘块，使测量的样品绝热温度变化更准确。
本实用新型为了保证装置工作的正常，采取了以下技术措施1、在螺线管磁体线圈的层与层之间设置垫条，且在线圈骨架的上、下法兰板及法兰板内侧的绝缘板上呈放射状均布通孔。垫条一方面可进一步起到层间绝缘的作用，另一方面也与法兰板及其内侧绝缘板上均布的通孔一起，形成了磁体线圈层间的液氮冷却通道，以更好地冷却磁体，避免线圈过热，电阻增加而影响磁体正常工作。
2、在螺线管磁体线圈的外壁上均布竖向的紧固条，紧固条外由至少两个环形紧固圈紧固，每个紧固圈是由两个半环圈通过连接件连接构成，以抵消线圈通电时沿径向的电磁张力，避免线圈松散，造成磁体场强降低，均匀度变坏而影响测试结果和磁体的正常工作。
此外，为防止液氮受环境温度影响过快蒸发所带来的测量成本增高的弊病，本实用新型所用的液氮杜瓦为夹层结构，夹层中充填有隔热材料。
本实用新型与已有技术相比，具有以下优点1、脉冲宽度可调，适用范围增大。由于本实用新型采用的稳流脉冲电源可在1、2、3、4、5秒五档间调节脉冲宽度，因而可适应各种具有不同磁热响应速度的磁致冷材料的测量。
2、测量数据准确。由于本实用新型在样品夹持处增设了热绝缘块，避免了样品热的传导，因而使所测的绝热温度变化数据准确。
3、装置工作稳定。由于本实用新型采取了螺线管磁体线圈层间设置垫条、线圈外壁加紧固条、圈等技术措施，因而不仅使磁体工作正常，还可避免磁体场强降低，均匀度变坏而给测量数据带来的影响。
4、经济实用。由于本实用新型所设计的磁体产生的最高场强为2.2T，故不仅可较大幅度地降低设备的投资及运行费用，且所提供的场强已能满足磁致冷材料的实际工作环境下对场强的要求，从而使所测量的数据能够真实反映磁致冷材料在工作环境中的绝热温度变化情况。
四

图1为本实用新型结构示意图；图2为螺线管磁体主视剖面结构示意图；图3为图2的局部剖视结构放大示意图；图4为图2的俯视结构示意图；图5为半环圈的主视结构示意图；图6为隔离套剖视结构示意图；图7为测量杆剖视结构示意图；图8为样品室及恒温系统剖视结构示意图；图9为温度测量系统结构示意图。
五具体实施方式
以下结合附图给出实施例并对本实用新型作进一步说明。值得指出的是给出的实施例不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域专业人员根据上述本实用新型内容对本实用新型作出的非本质的改进和调整应属本实用新型的保护范围。
如图1所示，本实施例是由磁体系统、样品室、恒温系统、温度测量系统组成。
磁体系统包括脉冲电源13、螺线管磁体1、液氮杜瓦2。液氮杜瓦2为一无磁不锈钢容器，该容器为夹层结构，夹层中充填隔热材料3，如聚氨酯泡沫材料，以防止液氮受环境温度影响过快蒸发，提高测量成本。液氮杜瓦的法兰盖4上开有液氮灌注口5、三通管6和脉冲电源孔7，法兰盖4通过螺栓与杜瓦2连接，液氮通过灌注口5加入，以冷却位于杜瓦2中的螺线管磁体1和使测量样品26的温度达到液氮温度。三通管6主要用于测量时，对样品室抽真空，使样品26在磁化和去磁时做到绝热，以及在改变样品26工作环境温度时，通氦气来进行热交换。在三通管6下方用螺钉连接有一自带法兰的无磁不锈钢隔离套8，该隔离套8下端部为一螺杆，见图6，当螺线管磁体1套在隔离套8外后，用螺帽12栓紧使螺线管磁体1悬置在杜瓦2的液氮中。螺线管磁体1由一个线圈16组成，线圈16由漆包铜线绕制，线圈骨架14采用无磁材料制作，如1Cr18Ni9Ti等。为了绝缘，在线圈骨架14的内管外壁涂绝缘漆；在线圈骨架14法兰内侧粘合一环形绝缘板15；绕制时，线圈16层与层之间沿圆周等距离设置绝缘垫条17，该垫条17可由聚四氟乙烯、环氧树脂制作，见图2、3。设置垫条除可以起到层间绝缘的作用，还因垫条的厚度而使线圈层间形成缝隙构成液氮冷却通道，使螺线管的热稳定性更好。为了与线圈层间构成的液氮冷却通道配合，在线圈骨架14的上、下法兰板和其内侧的绝缘板15上开有通孔18，本实施例开的通孔18呈放射状分布，且孔径由内向外逐渐增大，见图4。线圈16绕制完后还需在其外壁均布竖向的紧固条19，紧固条19外再由至少两个环形紧固圈20紧固，本实施例为三个紧固圈，见图2。每个紧固圈20又由两个半环圈21(见图5)通过连接件，如螺钉连接构成。螺线管磁体1的两端分别通过两根脉冲电源接线柱9与脉冲电源13相接。脉冲电源接线柱9为一铜杆，其有螺纹的一端穿过杜瓦法兰盖4上的脉冲电源孔7，用螺帽固定在法兰盖4上，连接部位用绝缘垫圈绝缘。脉冲电源13为稳流脉冲电源，其最大功率为22KW，电流从0～200A连续可调，其脉冲宽度可在五档间调节。本实施例的脉冲电源13的脉冲宽度可分为1秒、2秒、3秒、4秒、5秒共五档位，具体选择的是成都瑞勃电气有限公司生产的DM-200脉冲电源。
样品室和恒温系统通过液氮杜瓦法兰盖4上的三通管6位于其下方连接的隔离套8内。恒温系统由加热器22、恒温块23和测量杆11构成。测量杆11截面呈“T”形，内开阶梯通孔，上端外沿的法兰盘上开有连接孔，见图7。通过连接孔用连接件，如螺钉与杜瓦三通管6顶部的法兰盘配合，既将测量杆11固定于三通管6上，又将具有接线柱的密封接头10固定在上阶梯孔中。恒温块23焊接在测量杆11的下端头，其截面呈“冂”形，上部中间开有通孔，下端开有内螺纹。加热器22由锰铜丝绕制而成，固定在恒温块23外壁上，并通过导线、密封接头10上的接线柱与变压电源24输出端相连。样品室由截面呈“冂”形的恒温块23和与恒温块23下端的一截面呈“凸”形的顶块25构成，顶块25凸起的外壁上开有的外螺纹与恒温块23下端的内螺纹匹配，顶块25中部开有通孔，用于气体进出样品室，见图8。为了使样品26不与导热性恒温块26和顶块25接触，影响测量结果，在恒温块23内腔顶面和顶块25的上端面各固连了一热绝缘块27、28，在上绝缘块27的中部还开有一通孔和恒温块23上的通孔相接，而下绝缘块28与顶块25之间还设置有一弹簧29，以便与顶块25配合顶紧样品26，使之固定不动。
温度测量系统由温度计30、31、参考温度点32和二次仪表33构成。温度计30、31为热电偶温度计，共有两支，一支为环境温度计30，其一端置于与样品室接近的恒温块23处，另一端从测量杆11内经密封接头10接线柱上的导线引出置于参考温度点32中，本实施例以冰水混合物为参考温度点，然后再通过导线与二次仪表33相连；另一支为差分温度计31，用来监测样品与环境的温差，该差分温度计31一端的其中一个节点置于与样品室接近的恒温块23处，另一个节点置于样品26中心处，即样品26中心的盲孔内，另一端从测量杆11内经密封接头的接线柱10上的导线引出先置于参考温度点冰水混合物32中，然后再通过导线与二次仪表33相连，见图9。本实施例的温度计采用铜—康铜热电偶温度计，并进行了拧扭和屏蔽处理。
测量时，首先将其一端中部开有测量盲孔的样品26放入样品室，用顶块25固定好，并在样品26和恒温块23上贴好环境和差分温度计30、31一端，而将温度计的另一端放入冰水混合物32中，连接好二次仪表33，选择测量灵敏度，调节好温度计的零点；其次通过液氮灌注口5往液氮杜瓦2中加入液氮至液氮浸过螺线管磁体1，并观察温度变化，直至环境温度稳定，差分热电偶温度计指示到零点；第三步，利用真空设备通过三通管6对样品室抽真空；第四步，用脉冲电源13对螺线管磁体1通电，螺线管磁体1产生的磁化场对样品26进行磁化，差分热电偶温度计31通过二次仪表33显示出样品26(磁致冷材料)的绝热温度变化，而另一热电偶温度计30则测量出环境温度；第五步，通过三通管6往样品室通入氦气，然后用恒温系统加热器22改变环境温度，并使样品26温度与环境温度达到新的温度平衡后抽真空，再重复第四步操作。就这样不断变化环境温度，周而复始地抽真空、通电对样品26磁化就可由差分温度计31测量出磁致冷材料的一系列绝热温度变化。最后经数据处理，可绘出在一定磁化场强度下，磁致冷材料的绝热温度变化与环境温度的关系曲线，即ΔTad～T曲线。
权利要求1.一种脉冲式磁热效应直接测量装置，是由磁体系统、样品室、恒温系统和温度测量系统组成，磁体系统包括脉冲电源(13)、螺线管磁体(1)、液氮杜瓦(2)，螺线管磁体(1)浸泡在液氮杜瓦(2)的液氮中，并与脉冲电源(13)相接；样品室位于控温系统内，且通过一隔离套(8)安装在螺线管磁体(1)中心；温度测量系统中环境温度计(30)一端与恒温块(23)相连，另一端置于参考温度点(32)中，并通过导线与二次仪表(33)相连；差分温度计(31)一端的其中一个节点置于与样品室接近的恒温块(23)处，另一个节点置于样品(26)中心处，另一端从测量杆(11)内经密封接头(10)的接线柱上的导线引出先置于参考温度点(32)中，然后再通过导线与二次仪表(33)相连，其特征在于脉冲电源(13)为稳流脉冲电源，脉冲宽度可调。
2.根据权利要求1所述的脉冲式磁热效应直接测量装置，其特征在于所用的稳流脉冲电源(13)的最大功率为22KW，电流从0～200A连续可调，其脉冲宽度可在1、2、3、4、5秒五档间调节。
3.根据权利要求1或2所述的脉冲式磁热效应直接测量装置，其特征在于样品室内固定样品(26)的两端各设置有一个热绝缘块(27、28)。
4.根据权利要求1或2所述的脉冲式磁热效应直接测量装置，其特征在于螺线管磁体线圈(16)的层与层之间设置有垫条(17)，且在线圈骨架(14)的上、下法兰板及法兰板内侧的绝缘板(15)上呈放射状均布通孔(18)。
5.根据权利要求3所述的脉冲式磁热效应直接测量装置，其特征在于螺线管磁体线圈(16)的层与层之间设置有垫条(17)，且在线圈骨架(14)的上、下法兰板及法兰板内侧的绝缘板(15)上呈放射状均布通孔(18)。
6.根据权利要求1或2或5所述的脉冲式磁热效应直接测量装置，其特征在于螺线管磁体线圈(16)的外壁均布竖向的紧固条(19)，紧固条(19)外由至少两个环形紧固圈(20)紧固，每个紧固圈(20)是由两个半环圈(21)通过连接件连接构成。
7.根据权利要求1或2或5所述的脉冲式磁热效应直接测量装置，其特征在于液氮杜瓦(2)为夹层结构，夹层中充填有隔热材料(3)。
8.根据权利要求6所述的脉冲式磁热效应直接测量装置，其特征在于液氮杜瓦(2)为夹层结构，夹层中充填有隔热材料(3)。
专利摘要本实用新型公开的脉冲式磁热效应直接测量装置是由磁体系统、样品室、恒温系统和温度测量系统组成。磁体系统包括脉冲电源、螺线管磁体、液氮杜瓦，螺线管磁体浸泡在液氮杜瓦的液氮中，并与脉冲电源相接。样品室位于恒温系统内，且通过一隔离套安装在螺线管磁体中心，温度测量系统中环境温度计一端与恒温块相连，另一端置于参考温度点中，并通过导线与二次仪表相连；而样品与恒温块的温差用一差分热电偶温度计来测量，其特征在于脉冲电源为稳流脉冲电源，脉冲宽度可在五档(1、2、3、4、5秒)间调节；样品室内设置有热绝缘块。本实用新型工作稳定，测量数据准确，脉冲宽度可调，能测量不同磁热响应速度的磁致冷材料的绝热温度变化。
文档编号G01R33/12GK2574065SQ02276759
公开日2003年9月17日 申请日期2002年10月10日 优先权日2002年10月10日
发明者陈云贵, 唐永柏, 涂铭旌, 李焕杏, 王保木, 薛勤秀, 付浩, 黄苍碧 申请人:四川大学