Материаловедение

Магнитокалорические материалы

К магнитокалорическим относятся магнитные материалы, обладающие магнитокалорическим эффектом, который заключается в изменении температуры материала при его намагничивании или размагничивании во внешнем магнитном поле в адиабатических условиях, т.е. в отсутствие теплового обмена с окружающей средой.

Магнитокалорический эффект возникает в результате перераспределения внутренней энергии магнитного вещества между системой магнитных моментов его атомов и кристаллической решеткой. Максимальной величины этот эффект достигает при температурах магнитного фазового перехода, например, в области температуры Кюри ферромагнетиков. Приложение магнитного поля вызывает нагрев ферромагнетика, а снятие поля – его охлаждение. Адиабатические условия протекания процесса на практике достигаются быстрым изменением магнитного поля.

Среди магнитокалорических материалов наиболее перспективными являются гадолиний, а также соединения на основе Gd5(SixGe1-x), MnFe(PxAs1-x) и La(FexSi1-x)13, характеризующиеся высокими значениями магнитокалорического эффекта.

Магнитокалорические материалы эффективно применять, прежде всего, в роли рабочего тела магнитных холодильных машин (рис. 1). Это позволяет упростить и существенно повысить надежность конструкции холодильных устройств, добиться существенного (до 50 %) снижения энергопотребления.

Схема работы холодильника на основе магнитокалорического материала

Рис. 1. Схема работы холодильника на основе магнитокалорического материала: магнитокалорический материал нагревается при намагничивании (b); при охлаждении и последующем размагничивании (с) его температура резко падает (d), за счет чего и поддерживается температурный режим внутри холодильника

Еще одним важным преимуществом таких систем, основанных на магнитном цикле охлаждения, являются их сравнительно небольшие габаритные размеры. Это делает их идеальным решением для широкого спектра задач – от охлаждения электронных компонентов до холодильников и кондиционеров. Кроме того, они не предусматривают использования газообразных хладагентов, что снижает уровень шума и уменьшает вибрацию по сравнению с современным холодильным оборудованием компрессорного типа.

В одном из вариантов таких холодильников (рис. 2) используется магнитокалорический материал (порошок гадолиния), помещенный в колесо. Конструкция холодильника спроектирована таким образом, что колесо прокручивается через рабочий зазор постоянного магнита, в котором сконцентрировано магнитное поле. При вхождении сегмента с гадолинием в магнитное поле в гадолинии возникает магнетокалорический эффект и он нагревается. Это тепло отводится теплообменником, охлаждаемым водой. Когда гадолиний выходит из зоны магнитного поля, возникает магнетокалорический эффект противоположного знака и материал дополнительно охлаждается, охлаждая теплообменник с циркулирующим в нем вторым потоком воды. Этот поток и используется для охлаждения холодильной камеры. Такое холодильное устройство, которое может быть установлено, например, на автомобиле, работает при комнатной температуре и обеспечивает такой же диапазон охлаждения, что и традиционный кондиционер.

Схема работы магнитного холодильника колесной конструкции

Рис. 2. Схема работы магнитного холодильника колесной конструкции

Интерес к охлаждению с помощью магнитных твердотельных хладагентов сильно возрос за последние 10 лет, что в большой степени связано с глобальными проблемами электропотребления и снижения выбросов вредных газовых составляющих при работе газовых холодильных устройств. Сегодня около 15 % общего мирового энергетического потребления затрачивается на работу различных рефрижераторов (кондиционеры, холодильники, морозильники, установки для закаливания материалов и т.д.).

Для обеспечения высокого КПД магнитных рефрижераторов необходима разработка эффективных магнитокалорических материалов для работы как при комнатной, так и при более низких температурах. Эти материалы должны обладать не только большим магнитокалорическим эффектом, но также слабым магнитным гистерезисом, большой намагниченностью, значительной хладоёмкостью, необходимыми технологическими свойствами.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *