Магнитокалорический эффект (МКЭ) заключается в изменении температуры магнита или магнитного материала при его намагничивании или размагничивании во внешнем магнитном поле в адиабатических условиях (т.е. в условиях отсутствия 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 МКЭ достигает при температурах магнитного фазового перехода, например, в области температуры Кюри ферромагнетиков. Приложение магнитного поля вызывает нагрев ферромагнетика, а снятие поля - его охлаждение. Адиабатичность процесса на практике достигается быстрым изменением магнитного поля.
Среди магнитных веществ, наиболее перспективных на сегодня для магнитного охлаждения можно выделить металл гадолиний и интерметаллическое соединение силицид-германид кремния Gd5Ge2Si2. Магнитокалорический эффект в гадолинии составляет около 3 градусов при изменении магнитного поля 1 Тесла.
При организации циклического процесса размагничивания - намагничивания магнитного материала, используемого в качестве рабочего тела в охлаждающем устройстве, можно добиться последовательного снижения температуры. Таким образом, магнитное рабочее тело служит аналогом хладагентов, используемых в традиционных парогазовых холодильных установках, а процесс размагничивания - намагничивания - аналогом циклов сжатия - расширения. В магнитных холодильных установках используются регенеративные термодинамические циклы Брайтона, Эрикссона, а также специальный активный магнитный регенеративный (АМР) цикл.
Основным преимуществом магнитных холодильных установок является их компактность. Это преимущество обусловлено, во-первых, значительно более высокой плотностью рабочего тела по сравнению с традиционными холодильниками (твёрдого тело вместо газа) и, во-вторых, отсутствием такой громоздкой и ненадежной части как компрессор. Кроме того, как показывают теоретические расчёты и экспериментальные исследования, магнитные охлаждающие установки характеризуются более высоким кпд и экономичностью. Следует также отметить, что в используемых сегодня холодильных устройствах применяется экологически вредные фреоны, которые отсутствуют в установках с использованием МКЭ магнитов и магнитных материалов.
Работы по созданию магнитных охлаждающих установок интенсивно проводятся в настоящее время, в частности, в Astronautics Corporation of America и Айовском Университете, США. В 1998 г. в Astronautics Corporation of America был создан первый рабочий прототип магнитного охлаждающего устройства, работающего по АМР циклу. Рабочее тело, представляющее собой гадолиний, перемещалось циклически (с частотой 0,17 Гц) между сверхпроводящим магнитом, создававшим поле величиной 5 Тесла и теплообменниками. Установка работала около комнатной температуры и имела мощность 600 Вт.
В соответствии с пресс-релизом, выпущенном Astronautics Corporation of America 18 сентября 2001, создано новое компактное магнитное охлаждающее устройства, в котором используется постоянный магнит, не требующий охлаждения и дополнительного питания. Рабочий материал на основе гадолиния был помещен в колесо. При вращении колеса материал периодически проходил через постоянное поле, создаваемое магнитом, размагничиваясь и намагничиваясь. Устройство, которое может быть установлено на автомобиле, работает при комнатной температуре и обеспечивает такой же диапазон охлаждения, что и традиционный кондиционер. Аналогичная информация была опубликована учёными Айовского университета (США) В. Печарским и К. Гшнайднером, сообщившими об успешном тестировании описанного выше устройства. Профессор Печарский оценил создание такого магнитного кондиционера как крупный технологический прорыв.
Таким образом, суммируя вышеизложенное, можно сказать, что магнитные охлаждающие установки потенциально представляют собой эффективный, компактный и экологически чистый заменитель традиционных холодильных устройств. Возможность технической реализации таких установок продемонстрирована ведущими мировыми разработчиками.
