RUS ENG

НАМ 18 ЛЕТ!

ГРУППА AMT&C - ФИНАЛИСТ РЕЙТИНГА «ТЕХНОУСПЕХ»


 

 


Прогресс технологии магнитного охлаждения



В настоящее время существенно активизировались работы, связанные с поиском рабочего тела для магнитных холодильных установок, предназначенных для использования в окрестностях комнатной температуры. Так около месяца назад в журнале Nature [1] было опубликовано сообщение профессора K.H.J.Buschow с коллегами об обнаружении значительного магнитокалорического эффекта (МКЭ) в соединении MnFeP1-xAsx (0.15<x<0.66). В частности, при изменении магнитного поля от 0 до 2 Т, для образца MnFeP0.45As0.55 изменение удельной энтропии |DS|/Н составило 0.71 Дж/кг*К*кЭ. Максимальные значения магнитокалорического эффекта наблюдались при температурах 305 – 310 К. Как сообщается, изменение соотношения P/As позволяет смещать температурную область максимальных значений МКЭ в пределах от 200 до 350 К.

Ряд работ сделанных китайскими учеными [2,3] был посвящен изучению магнитокалорических свойств соединений типа LaFe13. Полученные значения |DS|/Н составляют 0.72 Дж/кг*К*кЭ для образца LaFe11.4Si1.6 при изменении магнитного поля от 0 до 2 Т. Область максимальных значений МКЭ составляет 210 – 215 К. Для соединения La(Fe1–xCox)11.83Al1.17 (x=0.06, 0.08) наблюдались несколько меньшие значения магнитокалорического эффекта, но область максимальных значений оказалась близкой к комнатной температуре (~273 K и ~303 K, соответственно).

Во всех перечисленных выше соединениях значительный магнитокалорический эффект сопровождал индуцированные магнитным полем магнито-структурные фазовые переходы. Несколько раньше профессорами К. Gschneidner и V. Pecharsky из Ames Laboratory (Ames, Iowa) был обнаружен большой магнитокалорический эффект в соединении Gd5Si2Ge2, также сопровождающий индуцированный магнитным полем магнито-структурный фазовый переход [4]. Максимальные значения |DS|/Н, наблюдающиеся при температуре 278 К, составляют 0.71 Дж/кг*К*кЭ при изменении поля от 0 до 2 Т, что практически совпадает с данными приведенными в предыдущих работах. Именно этот материал сейчас называют наиболее перспективным для использования в качестве рабочего тела магнитной холодильной установки, работающей в диапазоне комнатных температур. Однако, параметры новых материалов, упомянутых выше, во многом сравнимы с параметрами соединения Gd5Si2Ge2.

В соединениях, для которых максимальные значения магнитокалорического эффекта наблюдаются при температурах не слишком отличающихся от комнатной, величину МКЭ обычно сравнивают с величиной МКЭ для Гадолиния (|DS|/Н » 0.3 Дж/кг*К*кЭ при изменении магнитного поля от 0 до 2 Т [4]). Поскольку среди материалов, в которых фазовый переход второго рода происходит в окрестности комнатной температуры, именно в Gd наблюдаются наибольшие значения МКЭ. Очевидно, что величина магнитокалорического эффекта для упомянутых выше составов превосходит соответствующие значения для Gd.

Долгое время трудности в техническом использовании магнитокалорического эффекта были связаны с тем, что в реально достижимых магнитных полях температура образца меняется лишь на несколько градусов (~3 К/Т для Gd). Однако, некоторое время назад были предложены термодинамические циклы, позволяющие поддерживать разность температур существенно превышающую изменение температуры вследствие магнитокалорического эффекта [4]. В 1997 году компания Astronautics Corporation of America (Madison, Wisconsin) продемонстрировала компактный рабочий образец охлаждающего устройства, использующего магнитокалорический эффект для поддержания разности температур 19 К (5oC – 24oC) [4]. В качестве рабочего тела использовались 3 килограмма Gd, приготовленного в виде мелких (диаметр 150 – 300 мкМ) шариков. Магнитное поле с индукцией 5 Т создавалось сверхпроводящим соленоидом. КПД устройства достигало 60 % от КПД цикла Карно (30% при индукции магнитного поля 1.5 Т), что больше КПД газовых холодильных установок и заметно больше КПД термо-электрических охлаждающих ячеек. Мощность устройства составляет 600 Вт (200 Вт при индукции магнитного поля 1.5 Т). В сентябре прошлого года, та же компания сообщила о создании первого прототипа магнитного кондиционера для автомобиля, в котором источником магнитного поля являются постоянные магниты. Такое решение позволило существенно снизить стоимость и упростить конструкцию устройства. Прогресс в разработке магнитных холодильных машин и их несомненные достоинства делают актуальным поиск новых магнитных материалов, подходящих для использования в подобных устройствах.

 

1. O. Tegus, E. Bruck, K. H. J. Buschow, F. R. De Boer, Nature 415 (2002), 150.

2. F. X. Hu, B. G. Shen, J. R. Sun, Z. H. Cheng, Phys. Rev. B 64 (2001), 012409.

3. F. X. Hu, B. G. Shen, J. R. Sun, Z. H. Cheng, G. H. Rao, X. X. Zhang, Appl. Phys. Lett. 78 (2001), 3675.

4. V. K. Pecharsky, K. A. Gschneidner, JMMM 200 (1999), 44.

 

 

Возврат к списку статей