Гадолиний холодильник: Российские инженеры разработали холодильник с магнитным металлом вместо жидкости

Магнитный холодильник

Производство машин и оборудования Производство теплообменного, холодильного и вентиляционного оборудования Прорывные технологии Технология находится в процессе разработки 

Магнитный холодильник.

Технология находится в процессе разработки!

Поделиться в:

Магнитный холодильник – это холодильник, магнитное охлаждающее устройство, действие которого основано на магнитокалорическом эффекте, использующее магнит и работающее при комнатной температуре.

Магнитный холодильник

Принцип действия магнитного холодильника

Обычные холодильники и их принцип действия

Преимущества магнитного холодильника

Применение магнитного холодильника

Магнитный холодильник:

Магнитный холодильник – это холодильник, магнитное охлаждающее устройство, действие которого основано на магнитокалорическом эффекте, использующее магнит и работающее при комнатной температуре.

В качестве магнита может быть использован либо сверхпроводящий магнит, либо мощный постоянный магнит. Магнитные холодильники, использующие сверхпроводящие магниты, обладают широким диапазоном рабочих температур, а также высокой выходной мощностью. Охлаждающие системы и устройства, работающие на постоянных магнитах, по сравнению с первыми имеют относительно ограниченный температурный диапазон и используются в основном в устройствах средней мощности.

Магнитокалорический эффект – это обратимое изменение температуры магнитного вещества (магнетика) при его адиабатическом намагничивании (размагничивании). Магнитокалорический эффект проявляется у такого химического элемента, как гадолиний. Он заключается в следующем: если к гадолинию поднести магнит, то он нагреется, а если убрать, то он остынет. На этом свойстве делается установка в виде колеса, содержащий измельченный гадолиний. Колесо вращается возле постоянного магнита. При приближении к магниту гадолиний нагревается. От гадолиния через теплообменник с помощью воды или другого рабочего тела отводится тепло. Затем гадолиний при удалении от магнитного поля охлаждается и забирает тепло у другой закрытой системы через теплообменник, в котором также циркулирует вода или другое рабочее тело.

Установлено, что гадолиний обнаруживает у себя самый большой магнитокалорический эффект. Магнитокалорический эффект проявляется и у других материалов, например, NdFeB.

Принцип действия магнитного холодильника:

В качестве рабочего тела в магнитном охлаждающем устройстве используется магнитный материал на основе гадолиния. Гадолиний циклически намагничивается внешним магнитным полем (мощным постоянным магнитом или сверхпроводящим магнитом) и размагничивается при вращении рабочего элемента охлаждающего устройства, выполненного в виде колеса и содержащего рабочее тело. В качестве теплоносителя (второе рабочее тело) используется вода или другой хладагент. В одном контуре вода (или другой хладагент), нагреваясь, отводит тепло от гадолиния, а во втором контуре, остывая, – забирает холод, отдает свое тепло гадолинию и охлаждает холодильную камеру.

Гадолиний в рабочем теле используется в виде порошка, пластин, сфер, хлопьев. В качестве второго рабочего тела помимо воды используется 20% раствор воды со спиртом либо вода с ингибиторами.

Обычные холодильники и их принцип действия:

Холодильник — устройство для поддержания низкой температуры в теплоизолированной камере. Его работа основана на использовании холодильной машины, переносящей тепло из рабочей камеры холодильника наружу, где оно рассеивается во внешнюю среду.

Существует несколько типов холодильников, каждый из которых основан на определенном физическом эффекте и принципе действия: компрессионный, абсорбционный, термоэлектрический холодильники и холодильник с вихревыми охладителями.

Компрессионный холодильник наиболее часто встречается. Он широко используется в быту. Его основой служит второе начало термодинамики. Охлаждающее рабочее тело – хладагент (им выступает фреон) в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно. Компрессор засасывает из испарителя хладагент в виде пара, сжимает его (при этом температура хладагента повышается) и нагнетает в конденсатор, где хладагент конденсируется в жидкость отдавая теплоту конденсации во внешнюю среду. Далее жидкий хладагент под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или терморегулируемый расширительный вентиль) поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, отбираемая теплота расходуется на закипание жидкости и превращение ее в пар, за счёт чего происходит охлаждение холодильного пространства холодильника, где и находится испаритель. После чего цикл повторяется заново.

Таким образом, в компрессионном холодильнике в конденсаторе хладагент под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя теплоту, а в испарителе под воздействием низкого давления вскипает и переходит в газообразное, поглощая теплоту.

В абсорбционном холодильнике так же, как и в компрессионном, охлаждение рабочей камеры происходит за счёт испарения хладагента (аммиака, бромистого лития, ацетилена или ацетона). В отличие от компрессионного холодильника, циркуляция хладагента происходит за счёт его растворения (абсорбции) в жидкости, обычно в воде.

В основе работы термоэлектрического холодильника лежит Эффект Пельтье, когда при прохождении тока через контакт двух разнородных проводников в направлении контактной разности потенциалов происходит перенос тепловой энергии так, что один из этих «разнородных» проводников охлаждается, а второй нагревается за счёт тепловой энергии от первого и электрической энергии прошедшего электрического тока.

В холодильниках на вихревых охладителях охлаждение осуществляется за счёт расширения предварительно сжатого компрессором воздуха в блоках специальных вихревых охладителей.

Преимущества магнитного холодильника:

– компактность,

– экологически безопасен. В качестве рабочего тела используется гадолиний, который не представляет опасность для человека и окружающей среды и может быть использован повторно, вода или любой другой экологически чистый хладагент,

– высокая эффективность и экономичность,

– магнитные холодильники эффективнее традиционных холодильников на 20-30 %, что позволяет сократить их стоимость по сравнению с традиционными,

– длительный срок эксплуатации,

– используется небольшое количество движущихся деталей, что сокращает износ холодильника,

– способен перекачивать большое количество тепловой энергии в короткий промежуток времени,

– высокая надежность,

– низкие эксплуатационные затраты.

Применение магнитного холодильника:

Магнитные холодильники и магнитные охлаждающие устройства имеют как бытовое, так и промышленное применение.  В быту они могут использоваться как холодильники, как кондиционеры воздуха, в системах охлаждения для автомобилей и пр. Промышленное применение возможно для сжижения газов, например, водорода.

На сегодняшний момент по всему миру создано большое количество разнообразных прототипов. Однако все они имеют одну – демонстрация и популяризация эффективности и огромного потенциала технологии магнитного охлаждения.

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com.

магнитная меловая доска пленка лента планер панель календарь для мела записей мелом маркером на холодильник спб интернет магазин
магнитный холодильник купить
магнитные фоторамки покрытия резинки наклейки доски магнитное полотно фото магнитно маркерная грифельная доска на холодильник москва минск
магнитный уплотнитель замок для холодильника

Коэффициент востребованности
1 304

Гадолиний, Gd, атомный номер 64

общий

Гадолиний представляет собой химический элемент с символом элемента Gd и атомным номером 64. В периодической таблице он входит в группу лантаноидов и, следовательно, также относится к металлам редкоземельных элементов.

Первый элемент иттерерской земли в периодической таблице был обнаружен 1880 спектроскопически Жаном Шарлем Галиссаром де Мариньяком в дидиме и гадолините. 1886 он сделал это как белый оксид из Самарскита и назвал его Y из Самарскита. В том же году Пол Эмиль Лекок де Буасбаудран также произвел оксид гадолиния и назвал новый элемент в честь первооткрывателя минерала гадолинита, финского химика Йохана Гадолина, гадолиния.

Только 1935 сменил Жоржа Урбейна на представление металла.

Конечно, гадолиний встречается только в соединениях. Технически важны Монацит и Бастнасит. Месторождения гадолинита на руднике Иттерби к северу от Стокгольма в настоящее время исчерпаны.

восстановление

После сложного разделения другого гадолиниевого беглеитера оксид взаимодействует с фтористым водородом до гадолиниумфторида. Впоследствии это уменьшается с кальцием с образованием фторида кальция до металлического гадолиния. Разделение оставшихся остатков кальция и примесей происходит при дополнительном переплаве в вакууме.

Особенности

Серебристо-белый до серовато-белого блестящего редкоземельного металла пластичен и податлив. При температурах выше 1508 K наиболее плотная сферическая упаковка превращается в кристаллическую структуру с кубическим телом. В сухом воздухе гадолиний относительно стабилен, во влажном воздухе он образует защитный, слабо прилипающий и отслаивающийся оксидный слой. Медленно реагирует с водой. В разбавленных кислотах растворяется.

У гадолиния с сараем 49.000 самое высокое сечение захвата тепловых нейтронов из всех известных стабильных элементов из-за содержащегося в нем изотопа Gd-157 (с сараем 254.000) (только нестабильный Xe-135 превосходит Gd-157 по коэффициенту 10). Высокая скорость выгорания сильно ограничивает использование в качестве управляющего стержня в ядерных реакторах.

Вместе с диспрозием, гольмием, эрбием и тербием, которые также относятся к группе лантаноидов, он является одним из единственных элементов — кроме железа, кобальта и никеля — которые обладают ферромагнетизмом. Тем не менее, он должен быть сначала ниже температуры ферромагнитного Кюри 292,5 K (19,3 ° C). [6]

Вопреки многим ссылкам, гадолиний не является сверхпроводящим. Это также основано на опыте, что загрязнение ферромагнитных веществ, таких как железо и гадолиний, разрушает сверхпроводимость других элементов. Однако высокотемпературные керамические сверхпроводники типа Ba2GdCu3O7-x с температурой перехода между 80-85 K известны.

Пыль металлического гадолиния опасна для пожара и взрывоопасна.

Использовать

Гадолиний используется для изготовления иттриевого граната гадолиния для применения в микроволновой печи. Оксисульфиды используются для производства зеленого люминофора для люминесцентных экранов (радаров).

Соединения гадолиния (III), вводимые внутривенно, такие как гадопентетат димеглюмин, служат контрастными средствами при МРТ-исследованиях. Для этой цели используются комплексообразующие агенты с высокими комплексообразующими константами, такие как, например, хелаты DTPA (диэтилентриаминпентауксусная кислота) и DOTA (1,4,7,10-тетраазациклододекан-1,4,7,10-тетрауксусная кислота с Gd = гадотериновой кислотой) из-за высокой токсичности свободных ионов гадолиния. Из-за семи неспаренных электронов в f-оболочке гадолиний является высоко парамагнитным. Таким образом, контрастное вещество позволяет окружающим протонам — в основном, воде — быстрее расслабляться. Это значительно увеличивает разницу в контрасте между различными тканями при МРТ.
Эти контрастные агенты могут также использоваться для исследований мозга, так как комплексы гадолиния не преодолевают гематоэнцефалический барьер у здоровых пациентов и, таким образом, нарушение гематоэнцефалического барьера — признак патологического события (например, недостаточное кровообращение, опухоль, воспаление) сделать видимым.

Гадолиний-галлиевый гранат использовался для создания магнитных пузырьков. Он также используется в производстве перезаписываемых компакт-дисков.

Добавки 1% гадолиния увеличивают обрабатываемость и стойкость к высоким температурам и окислению сплавов железа и хрома. Соответствующие гадолиниевые железо-кобальтовые сплавы могут быть использованы для хранения оптомагнитных данных.

Гадолиний, поскольку он имеет точку Кюри вблизи комнатной температуры, может использоваться в кулерах, которые работают по принципу адиабатической намагниченности. Такие холодильники обойдутся без озонового слоя, повреждающего хлорфторуглероды (ХФУ), и не будут подвержены механическим повреждениям деталей.

Гадолиний используется в форме оксида гадолиния в современных тепловыделяющих сборках в качестве выгорающего абсорбирующего материала, который после замены топлива в начале рабочего цикла ограничивает избыточную реактивность реактора из-за избытка ядерного топлива. По мере того, как топливо горит, гадолиний также разлагается. [7]

Оксисульфид гадолиния, допированного тербием (Gd2O2S: Tb), является сцинтиллятором, обычно используемым в рентгеновской технологии. Gd2O2S: Tb ​​излучает свет с длиной волны 545nm.

Не существует известной биологической функции гадолиния.

Свободные ионы гадолиния ведут себя подобно ионам кальция, то есть они в основном включены в печень и костную систему и могут оставаться там годами. Свободный гадолиний также действует как антагонист кальция — ионные радиусы кальция и гадолиния почти равны — влияют на сократительную способность миокарда и тормозят систему свертывания. [9]

Применяемые внутривенно растворы свободных ионов гадолиния остро токсичны. Токсичность влияет на гладкие и поперечно-полосатые мышцы, функцию митохондрий и свертывание крови. [10]

Токсичность свободного гадолиния считается высокой. В комплексной форме, такой как гадолиний в утвержденных контрастных средах, он обычно хорошо переносится с учетом противопоказаний. Начиная с 2006, появляется все больше сообщений о том, что пациенты с почечной недостаточностью могут испытывать нефрогенный системный фиброз после введения различных хелатов гадолиния, в частности Gd-DTPA.

Общий
Имя, символ порядковый	Гадолиний, Gd, 64
серия	лантаноиды
Группа, период, блок	La, 6, f
Внешний вид	серебристо-белый
номер CAS	7440-54-2
Массовая доля земной оболочки	5,9 частей на миллион
ядерной
атомная масса	157,25 и
атомный радиус	188 м.
Ковалентный радиус	196 м.
Elektronenkonf.	[Xe] 4f (7) 5d (1) 6s2
1. ионизация	593,4 кДж / моль
2. ионизация	1170 кДж / моль
3. ионизация	1990 кДж / моль
физически
Физическое состояние	Праздник
кристаллическая структура	шестиугольный
плотность	7,886 г / см3 (25 ° C)
магнетизм	парамагнитный (χm = 0,12)
точка плавления	1585 K (1312 C)
Температура кипения	3523 K (3250 C)
Молярный объем	19,90 * 10 (-6) м (3) / моль
Теплота парообразования	305 кДж / моль
теплота плавления	10,0 кДж / моль
Электропроводность	0,763 * 10 (6) A / (V * m)
теплопроводность	11 W / (м * К)

Пожалуйста, подписывайтесь на нас:

Материал на основе гадолиния, охлаждаемый переменным магнитным полем

Магнитный хладагент имеет кубическую структуру, состоящую из двух ионов гадолиния (розовые), двух ионов никеля (зеленые) и четырех атомов кислорода (красные), окруженные молекулами 2-(гидроксиметил)пиридина. Предоставлено: © 2014 A*STAR Институт материаловедения и инженерии

Магнитное охлаждение привлекает внимание как эффективный способ охлаждения чувствительных научных инструментов. В этом методе охлаждения используется магнитокалорический эффект, при котором внешнее магнитное поле регулирует температуру магнитного материала. Эффективные магнитные хладагенты часто сложно приготовить, но теперь Энди Хор из Института исследования и разработки материалов A*STAR и Национального университета Сингапура и его коллеги создали мощный магнитный хладагент, который легко изготовить в лаборатории.

Соединения с большим магнитокалорическим эффектом обычно содержат атомы с большим количеством неспаренных электронов, каждый из которых создает свой крошечный магнитный момент. Во время магнитного охлаждения внешнее магнитное поле заставляет эти атомные магнитные моменты выстраиваться в одном направлении. По мере того как магнетизм атомов становится более упорядоченным (что снижает энтропию системы), температура материала повышается.

После отвода тепла потоком жидкости или газа внешнее магнитное поле уменьшается. Это позволяет атомным магнитным моментам снова стать неупорядоченными, охлаждая материал, чтобы его можно было использовать для отвода тепла от инструмента перед повторением цикла.

В магнитных хладагентах обычно используется ион гадолиния(III) (Gd3+), так как он имеет семь неспаренных электронов. Большинство комплексов гадолиния производятся в суровых условиях или требуют очень длительного времени для образования, что ограничивает их более широкое применение. Напротив, магнитный хладагент, разработанный Хором и его коллегами, чрезвычайно прост в изготовлении.

Исследователи просто смешали ацетат гадолиния, ацетат никеля и органическую молекулу под названием 2-(гидроксиметил)пиридин в органическом растворителе при комнатной температуре. Через 12 часов эти химические вещества собрались в агрегат, содержащий в своей основе кубическую структуру атомов (см. изображение).

Команда измерила, как внешнее магнитное поле влияет на этот «кубанический» материал при понижении температуры. Они обнаружили, что при температуре ниже 50 К резко возрастает намагниченность материала, что позволяет предположить, что ниже этой температуры он может быть эффективным магнитным хладагентом.

Затем ученые проверили эффекты изменения внешнего магнитного поля при очень низких температурах. Они обнаружили, что при температуре 4,5 К большое внешнее поле вызывает изменение энтропии, близкое к теоретическому максимуму для системы, и большее, чем у большинства других магнитных хладагентов в аналогичных условиях.

По словам группы, магнитокалорический эффект магнитных хладагентов обычно усиливается за счет создания все более крупных кластеров атомов металлов. Напротив, их кубан показывает, что гораздо более простые агрегаты, приготовленные в простых условиях, перспективны в качестве магнитных хладагентов.

Дополнительная информация:
Ван П., Шанниграхи С., Яковлев Н. Л. и Хор Т. С. А. Легкая самосборка интерметаллического [Ni2Gd2] кубанового агрегата для магнитного охлаждения. Химия — азиатский журнал 8, 2943–2946 (2013). dx.doi.org/10.1002/asia.201300838

Предоставлено
Агентство науки, технологий и исследований (A*STAR), Сингапур

Цитата :
Материал на основе гадолиния, который можно охлаждать с помощью переменного магнитного поля (2014 г., 27 августа)
получено 25 апреля 2023 г.
из https://phys.org/news/2014-08-gadolinium-based-material-cooled-varying- Magnetic.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Магнитное охлаждение

В настоящее время крайне актуально создание компактного, экологически чистого, энергоэффективного и высоконадежного холодильника, работающего в диапазоне комнатных температур. Эта задача обусловлена ​​рядом серьезных претензий к существующим системам охлаждения. Известно, что при эксплуатации эксплуатируемых в настоящее время холодильников возможны утечки рабочих газов (хладагентов), вызывающие такие серьезные экологические проблемы, как разрушение озонового слоя и глобальное потепление. Среди множества альтернативных технологий, которые можно было бы использовать в охлаждающих устройствах, все большее внимание исследователей всего мира привлекает технология магнитного охлаждения. Интенсивная работа по магнитному охлаждению ведется во многих лабораториях и университетах Европы, США, Канады, Китая и России.

Магнитный холодильник является экологически чистым устройством и позволяет значительно снизить энергопотребление. Последнее обстоятельство крайне важно, учитывая поистине огромное количество холодильных установок, используемых человеком в различных сферах его деятельности. Технология магнитного охлаждения основана на способности любого магнитного материала изменять свою температуру и энтропию под действием магнитного поля. Эта способность проявляется при сжатии или расширении газа или пара в традиционных холодильниках. Такое изменение температуры или энтропии магнитного материала за счет изменения напряженности магнитного поля называется магнитокалорическим эффектом (далее МКЭ).

Изменение температуры магнетика является результатом перераспределения внутренней энергии магнетика между системой магнитных моментов его атомов и кристаллической решеткой. Максимальное значение МКЭ получается в магнитоупорядоченных материалах, таких как ферромагнетики, антиферромагнетики и др., находящихся при температурах магнитных фазовых переходов (температурах магнитного упорядочения — Кюри, Нееля и др.).

Основное преимущество устройств для магнитного охлаждения связано с высокой плотностью теплоносителя — твердого тела по сравнению с плотностью пара или газа. Изменение энтропии на единицу объема в твердых магнитных материалах в семь раз выше, чем в газе. Это позволяет создавать более компактные холодильники. Само магнитное рабочее тело служит аналогом хладагентов, используемых в традиционных парогазовых холодильных установках. При этом процесс размагничивания-намагничивания аналогичен циклам сжатия-расширения. КПД любого холодильника в основном определяется количеством необратимой работы, совершаемой за цикл – для эффективных устройств он должен быть как можно меньше. В холодильнике с газовым обогревом есть устройства, производящие значительное количество необратимой работы – регенератор, компрессор и теплообменники.

Большая часть необратимой работы выполняется в теплообменниках. Она прямо пропорциональна адиабатическому изменению температуры рабочего тела. В газе оно намного больше, чем в магнитном материале. Благодаря этому наиболее эффективный отвод тепла осуществляется с магнитным, особенно в регенеративном, холодильном цикле. Специальная конструкция теплообменника и использование регенератора с большой площадью поверхности позволяют добиться малой доли необратимой работы при магнитном охлаждении. Эффективность цикла магнитного регенеративного охлаждения в диапазоне температур от 4,5 до 300 ⁰ К может составлять от 38 до 60 % цикла Карно (около 52 % эффективности в диапазоне температур от 20 до 150 ⁰ К и около 85 % в диапазоне от 150 до 300 ⁰ К). При этом на всех стадиях цикла условия теплообмена будут самыми известными на сегодняшний день. Кроме того, магнитные холодильники включают в себя небольшое количество подвижных частей, работают на низких частотах, что позволяет свести к минимуму износ холодильника и увеличить время его работы.

Хронология этой проблемы. Основные принципы магнитного охлаждения

1881. Варбург открыл МКЭ относительно давно, в 1881 г. Он наблюдал, как под действием магнитного поля образец железа нагревался или охлаждался. Этот ученый пришел к выводу, что изменение температуры образца является следствием изменения внутренней энергии вещества, имеющего магнитную структуру, под действием магнитного поля.

Однако до практического использования этого явления было еще далеко. Ланжевен (в 1905) впервые показал, что изменение намагниченности парамагнетика приводит к обратимому изменению температуры образца. Само магнитное охлаждение было предложено почти через 50 лет после открытия МКЭ двумя американскими учеными, Питером Дебаем (в 1926 г. ) и Уильямом Джиоком (в 1927 г.), независимо друг от друга, как способ достижения температур ниже точки кипения жидкого гелия. Джиок и Макдугал первыми продемонстрировали простейший эксперимент по магнитному охлаждению в 1919 году.33. Чуть позже это сделали также де Хаас (в 1933 г.) и Курти (в 1934 г.). В ходе этого эксперимента удалось достичь температуры 0,25 ⁰ К. Кроме того, в качестве теплоносителя использовался перекачиваемый жидкий гелий при температуре 1,5 ⁰ К.

Таблетка с магнитной солью находилась в состоянии теплового равновесия с теплоотводящим материалом, а в соленоиде было сильное магнитное поле. Всякий раз, когда соленоид разряжается, магнитная таблетка становится теплоизолированной, и ее температура снижается. Такой метод, называемый охлаждением адиабатическим размагничиванием, является стандартным лабораторным методом, используемым для получения сверхнизких температур. Однако мощность такого холодильника и диапазон его рабочих температур слишком малы для промышленного применения. Более сложные методы, с термической регенерацией и циклическими изменениями магнитного поля, были предложены в 60-х годах прошлого века. В 1976, Дж. Браун (из НАСА) продемонстрировал регенеративный магнитный холодильник, работающий в диапазоне рабочих температур 50 ⁰ К уже в диапазоне комнатной температуры. Однако мощность холодильника и его КПД в этом случае были еще малы, так как градиент температуры необходимо было поддерживать за счет перемешивания жидкого теплоотвода, а время, необходимое для зарядки и разрядки магнита, было слишком велико.
Небольшие маломощные холодильные установки были построены в 80-х и 9-х годах XX века.0 в нескольких исследовательских центрах: Лос-Аламосская национальная лаборатория, военно-морская лаборатория в Аннаполисе, национальная лаборатория Ок-Ридж, астронавтика (все США), Toshiba (Япония). В настоящее время несколько исследовательских центров НАСА финансируют работы по созданию компактных магнитных холодильников для космических применений по принципу операций адиабатического размагничивания. Astronautics Corporation of America (США, Висконсин) и Университет Виктории (Канада) проводят исследования возможностей магнитных холодильников для коммерческого применения. Исследования материалов для рабочего твердого тела магнитных холодильников с прикладной точки зрения интенсивно ведутся в настоящее время «Лабораторией Эймса» (Эймс, Айова), «Университетом Трех рек» в Квебеке (Канада), NIST ( Gaithersburg, MD) и компании «Advanced Magnetic Technologies and Consulting» (AMT&C).
В 1997 году «Американская астронавтическая корпорация» продемонстрировала относительно мощный (600 Вт) магнитный холодильник, работающий при температуре, близкой к комнатной. Эффективность этого холодильника уже была сравнима с эффективностью обычных фреоновых холодильников. Это устройство с использованием активного магнитного регенератора (в котором совмещены функции теплового регенератора и рабочего тела) проработало более 1500 часов в диапазоне комнатных температур мощностью 600 Вт. КПД составил около 35% по отношению к циклу Карно при магнитном поле в пять Тесла. В этом устройстве в качестве сверхпроводящего соленоида и в качестве рабочего твердого тела использовался редкоземельный металл гадолиний (Gd). Чистый гадолиний использовался в этом качестве не только астронавтикой, но и НАСА, ВМФ и другими лабораториями, что обусловлено его магнитными свойствами, а именно — подходящей температурой Кюри (около 293 ⁰ К) и наличие весьма значительного магнитокалорического эффекта. Величина МКЭ, а следовательно, и эффективность процесса охлаждения в магнитном холодильнике определяются свойствами магнитных рабочих тел.
В 1997 году Исследовательский центр Эймса сообщил об открытии четырех гигантских магнитокалорических эффектов в соединениях Gd5 (Si2Ge1-X). Температура магнитного упорядочения этих материалов может изменяться в широком диапазоне от 20 ⁰ К до комнатной температуры за счет изменения соотношения кремния (Si) и германия (Ge). Наиболее перспективными для использования в качестве рабочих твердых тел в настоящее время являются металлический гадолиний, ряд интерметаллидов на основе редкоземельных элементов, система силицидно-германидных соединений Gd5(Ge-Si)4, а также La(Fe-Si ) 13. Использование этих материалов позволяет расширить диапазон рабочих температур холодильника и значительно улучшить его экономические показатели. Следует отметить, что пионерские работы по поиску эффективных сплавов для магнитных рефрижераторов рабочих твердых тел были проведены несколькими годами ранее на физическом факультете Московского университета. Наиболее полные результаты этих исследователей изложены в докторской диссертации ведущего научного сотрудника физического факультета МГУ А.М. Тишина, в 1994.
В ходе работы были проанализированы многочисленные возможные комбинации редкоземельных и магнитных металлов и других материалов с точки зрения поиска оптимальных сплавов для реализации магнитного охлаждения в различных диапазонах температур. Установлено, в частности, что среди материалов с высокими магнитокалорическими свойствами соединение Fe49Rh51 (железо-родиевый сплав) обладает наибольшим удельным (т.е. на единицу магнитного поля) магнитокалорическим эффектом. Удельный МКЭ для этого соединения в несколько раз больше, чем для соединений силицидов-германидов. Этот сплав не может быть использован на практике из-за его высокой стоимости и отсутствия в нем значительных эффектов гистерезиса. Однако он может служить своеобразным эталоном для сравнения магнитокалорических свойств изучаемых материалов. Наконец, Science News (т.161, н.1, с.4, 2002) сообщило о создании первого в мире холодильника (пригодного не только для научных, но и для бытовых целей). Рабочий образец такого холодильника был изготовлен совместно Американской астронавтической корпорацией и Лабораторией Эймса и впервые продемонстрирован на конференции G8 в Детройте в мае 2002 г. Рабочий прототип предлагаемого бытового магнитного холодильника работает в диапазоне комнатных температур и использует постоянный магнит как источник поля. Это устройство получило высокую оценку экспертов и министра энергетики США. Расчеты показывают, что использование магнитных холодильников снизит общее потребление энергии в США на 5%. Планируется, что магнитное охлаждение можно будет использовать в различных сферах человеческой деятельности, например, в:

• ожижители водорода,
• Устройства охлаждения быстродействующих компьютеров и устройств на базе СКВИДов,
• кондиционеры для жилых и производственных помещений,
• системы охлаждения для автомобилей,
• бытовые и промышленные холодильники и др.

Следует отметить, что работы по магнитным холодильникам финансируются Министерством энергетики США уже 20 лет.

Конструкция холодильника

В созданном прототипе магнитного холодильника использована конструкция вращающегося колеса. Он состоит из колеса, содержащего сегменты с порошком гадолиния, а также мощного постоянного магнита.

Данная конструкция устроена таким образом, что колесо прокручивается через рабочий зазор магнита, в котором сосредоточено магнитное поле. При попадании сегмента с гадолинием в магнитное поле гадолиния возникает магнитокалорический эффект — он нагревается. Это тепло отводится теплообменником с водяным охлаждением. При выходе гадолиния из зоны магнитного поля возникает магнитокалорический эффект противоположного знака и материал дополнительно охлаждается, охлаждая теплообменник с циркулирующим в нем вторым потоком воды. Этот поток, собственно, и используется для замораживания холодильной камеры магнитного холодильника. Такое устройство компактно и работает практически бесшумно и без вибраций, что выгодно отличает его от используемых в настоящее время холодильников с парогазовым циклом. Впервые данная технология была апробирована еще в сентябре 2001 года. В настоящее время ведутся работы по дальнейшему расширению ее возможностей: совершенствуется технологический процесс промышленного получения чистого гадолиния и его необходимых соединений, что позволит достичь большего значения МК по более низкой цене. Одновременно сотрудники лаборатории Эймса сконструировали постоянный магнит, способный создавать сильное магнитное поле. Новый магнит создает поле в два раза сильнее, чем магнит в предыдущей конструкции магнитного холодильника (2001 г.). Это очень важно, поскольку величина магнитного поля определяет такие параметры, как КПД и выходная мощность холодильника. Поданы заявки на патенты на приготовление компаунда рабочего тела Gd5 (Si2Ge2) и конструкцию постоянного магнита.

Преимущества, недостатки и области применения

Все магнитные холодильники можно разделить на два класса по типу используемых магнитов:

• системы, использующие сверхпроводящие магниты;

Системы

• на постоянных магнитах.

Первые из них имеют широкий диапазон рабочих температур и относительно высокую выходную мощность. Их можно использовать, например, в системах кондиционирования воздуха в больших помещениях и для оборудования для хранения пищевых продуктов. Системы охлаждения с постоянными магнитами имеют относительно ограниченный температурный диапазон (не более 303 °К за цикл) и, в принципе, могут применяться в устройствах средней мощности (до 100 Вт). Например, автомобильный холодильник или портативный холодильник для пикника. Однако обе они имеют ряд преимуществ перед традиционными холодильными установками комбинированного цикла:

• Низкая опасность для окружающей среды. Рабочий орган прочный и легко изолируется от окружающей среды. Металлы-лантаниды, используемые в качестве рабочих тел, малотоксичны и могут быть использованы повторно после утилизации устройства. Теплоотводящая среда должна иметь лишь малую вязкость и достаточную теплопроводность, что хорошо соответствует свойствам воды, гелия или воздуха. Они хорошо совместимы с окружающей средой.

• Высокая эффективность. Магнитокалорический нагрев и охлаждение являются практически обратимыми термодинамическими процессами, в отличие от процесса сжатия пара в рабочем цикле парогазового холодильника. Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что магнитные холодильные агрегаты характеризуются более высокой эффективностью и, в частности, в области комнатных температур магнитные холодильники потенциально на 20-30 % эффективнее, чем работающие в парогазовом цикле. Технология магнитного охлаждения в будущем может стать очень эффективной, что значительно удешевит такие установки.

• Долгий срок службы. Технология предполагает использование небольшого количества движущихся частей и нескольких рабочих частот в охлаждающих устройствах, что значительно снижает их износ.

• Гибкость технологии. Возможно применение различных конструкций магнитных холодильников в зависимости от назначения.