Холодильник с магнитной системой охлаждения. Магнитное охлаждение. Будет ли Россия самостоятельно развивать сверхперспективную технологию

Выпуск холодильных установок на основе магнитокалорического эффекта и показала опытную установку. В ней нет ни сжижаемых хладагентов, ни компрессоров. Отсутствуют даже термоэлектрические преобразователи (элементы Пельтье), столь популярные в автомобильных холодильниках, туристическом снаряжении и экзотических системах охлаждения компьютеров.

Конструкция магнитного холодильника довольно проста. Какой-либо объект (бутылка воды, радиатор чипа, воздух в камере) охлаждается, отдавая своё тепло металлическим пластинам. Они контактируют с теплоносителем, во внутренней структуре которого под действием магнитного поля происходят обратимые циклические изменения.

Для лабораторных исследований список веществ, подходящих на роль теплоносителя в магнитном холодильнике, исчисляется десятками. Он включает ферро-, антиферро- и ферримагенитки, но практически значимый магнитокалорический эффект сильнее всего выражен у некоторых парамагнетиков.

В зависимости от конкретной технической задачи основным теплоносителем может служить парамагнитный материал в различном агрегатном состоянии. Обычно удобнее использовать окись азота или алюминий.

Молекулы парамагнетиков полярные, то есть обладают магнитным моментом. В обычном состоянии они ориентированы беспорядочно из-за теплового движения. Во внешнем магнитном поле они стремятся расположиться в направлении магнитных линий. За счёт этого внутренняя структура парамагнетиков временно становится более упорядоченной. Происходит обратимое понижение энтропии, приводящее к снижению температуры.

В экспериментах эффект хорошо наблюдается в адиабатических условиях, то есть при наличии теплоизолирующей оболочки вокруг парамагнетика. Если же её убрать, то обмен с окружающей средой приведёт к выравниванию температуры. Подвергаясь действию переменного магнитного поля, парамагнетики сначала аккумулируют тепло (понижая температуру воздуха и более нагретых тел вокруг себя), а затем отдают его на радиатор в следующем цикле. Далее, как и в любой холодильной установке, тепло уносится во внешнюю среду.

Системы охлаждения на основе магнитокалорического эффекта актуальны не только для бытового, но и для промышленного применения – в частности для создания надёжных и малозатратных систем охлаждения в серверных и дата-центрах. Ведущий автор исследования Венкат Венкатакришнан (Venkat Venkatakrishnan) высоко оценивает значимость этой работы. “Мы на пути к очередной революции в системах охлаждения”, - пишет он в отчёте.

По оценкам GE, магнитокалорическое холодильное оборудование вытеснит компрессорное в течение ближайших десяти лет.

Идея создавать магнитные холодильные установки была предложена очень давно. Профессор Фрайбургского университета (Германия) Эмиль Габриель Варбург описал тепловые эффекты в парамагнетиках ещё в 1881 году. Долгое время работа не находила применения, поскольку создаваемые установки отличались низкой производительностью.

Спустя столетие, в 1980-х, исследователи Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) смогли получить практически значимый магнитокалорический эффект при помощи дорогостоящего магнита со сверхпроводящей обмоткой.

Экономически целесообразными такие системы удалось сделать только недавно – за счёт применения новых материалов и подходов к реализации процесса теплообмена. Вместо создания переменного магнитного поля с помощью катушек индуктивности GE предлагает использовать вращение постоянных неодимовых магнитов.

Такой метод снижает затраты электроэнергии и позволяет создавать экономичные магнитные холодильники. По предварительным расчётам, их энергоэффективность превосходит традиционные системы охлаждения на 20%. Экспериментальная установка далека от показателей будущих серийных моделей, но уже легко превращает воду в лёд.

Магнитное охлаждение. Как это работает или что это такое? В основном это реализуется с помощью материалов особого рода. Это специальные металлические сплавы, которые меняют свои свойства в присутствии магнитного поля. Если вы возьмете этот сплав, и положите его на магнит, то он изменит свою температуру. То есть, если вы приблизите сплав к магниту, то он становится горячим, и если вы уберете его от магнита, то он становится холодным. Мы использовали этот сплав для генерации полезного охлаждения, и создания того, что называется тепловым насосом. Тепловой насос как и компрессор в вашем холодильнике, забирает тепло из отдела с низкой температурой и перемещает его в отдел с высокой температурой. Так работает любой холодильник, он забирает тепло из вашей холодильной камеры и переправляет тепло в вашу кухню. Это регенератор. Он содержит материал с магнитокалорическим эффектом. Первым делом его помещают в магнитное поле, и пропускают жидкость через него, и жидкость мы используем для удаления тепла и доставки тепла из холодильника. Поэтому в основном мы должны доставить эту вещь в магнитном поле. Итак, что мы делаем, возьмем эти магниты и этот регенератор помещается внутрь магнитов, как здесь. А потом, когда мы активируем магниты, мы можем изменить поле и перекачать жидкость до горячей и холодной стороны, как мы их называем. Что же происходит, когда машина работает. На этой стороне мы используем пару поршней для перемещения жидкости по кругу. И это та же самая жидкость, которая движется через регенератор и забирает тепло и холод. Здесь мы используем эти теплообменники, чтобы имитировать среду на вашей кухне, мы можем изменять температуру от 24 до 32 градусов в зависимости от климата. Вот наши регенераторы, жидкость движется вниз, они перетекает в регенераторы, которые находятся внутри магнитного поля. Видите, как двигаются магниты. Когда магниты движутся по кругу, они включают и выключают поле. Это в свою очередь, делает материал холодным и горячим. Когда материал горячий, мы пускаем воду в направлении горячего теплообменника, о которых мы только что говорили. А потом, когда магниты пойдут другим путем и материал становится холодным, мы пускаем воду в противоположном направлении вниз к охлаждающей секции, которая начинает охлаждать. Итак, мы начали с огромной машины, с низкой производительностью. Мы разработали этот прототип размером с корзину, он очень мобильный и он может использоваться для самых разных испытаний. Но цель в том, чтобы уменьшить его до размера, который мы сможем установить в холодильник, и это будет выглядеть примерно так. И он будет в состоянии поддерживать все продукты холодными, поддерживать низкую температуру в морозильнике и делать все это в действительно компактном размере.
_

Технологический прогресс не стоит на месте, и в будущем холодильник с магнитным охлаждением будет у каждой семьи, причем не в каком-то далеком будущем, а в ближайшем. Уже сегодня они созданы и проходят испытания. Такая техника будет работать не на базе промышленных охладителей и химических компонентов, а на основе магнитных систем охлаждения.

Как мы помним из детства, при воздействии магнитов на металл, он притягивался. Таким образом мы не только притягивали металлические предметы, но и неосознанно нагревали их. И не от того, что держали металл и магнит своими теплыми руками, а из-за воздействия магнитных полей на металлические предметы. Это явление физики называют магнетокалорическим эффектом.

Принцип работы магнитных холодильников

Когда металл находится в спокойном состоянии и на него не оказывается никакого влияния, то электронные связи двигаются хаотически, но как только на него начинают воздействовать внешние раздражители, такие как магнит, то электроны металлического предмета выстраиваются в ряд в одном и том же направлении из-за воздействия магнитного поля. Это явление называется изменением энтропии, то есть электроны ограничиваются в возможности свободно двигаться по любой траектории.

Но такое ограничение непостоянно. Электроны продолжают движение в определенном порядке, благодаря повышению энергии вибрации атомов, выделяя тепло. Поэтому, когда к металлическому объекту поднести магнит, то он нагревается. При этом нагревательный эффект у большинства металлов очень незначительный, но существует группы металлов, которые при таких условиях очень существенно нагреваются. К примеру, к таким металлам относится гадолиний.

Вам может показаться, что этот эффект лучше подходит для разогревания продуктов, а не для их замораживания и охлаждения. Но на самом деле магнетокалорический эффект можно заставить работать в обратную сторону, если металл сначала подвергнуть воздействию магнитного поля, а затем убрать внешний раздражитель. Тогда металлический предмет начинает процесс охлаждения. Теперь вы поняли принцип работы холодильного оборудования в будущем.

Чего уже удалось достичь?

Большинство холодильников будущего, которые в настоящий момент проходит ряд испытаний в научных лабораториях, пока что могут охлаждать при помощи магнетокалорического эффекта лишь небольшие объекты. На металл, на который воздействует магнитное поле, наносится специальная субстанция, в большинстве случаев, — гелий. Это вещество забирает у металлического предмета лишнее тепло, охлаждая металл, а затем прекращается воздействие магнитного поля, и металл становится очень холодным.

Получаемой температуры достаточно, чтобы металл можно было использовать, как охладитель. Принцип такого охлаждения известен был довольно давно, но пока что его широкое применение не получило широкого распространения в домашних условиях. Однако в конечном итоге широкие возможности магнитных систем охлаждения такие, как высокая эффективность, бесшумность и отсутствие потребности в применении химических хладагентов в будущем смогут вывести холодильники с магнитным охлаждением на потребительский рынок.

МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ - метод получения низких и сверхнизких темп-р путём адиабатич. размагничивания парамагн. веществ, предложенный П. Дебаем и У. Джиоком (P. Debye, W. Giauque, 1926). Ранее этот метод широко использовался для получения темп-р от 1 до 0,01 К с применением парамагн. солей, Для достижения темп-р этого диапазона используют в основном растворения 3 Не в 4 Не (см. Криостат) , но своё значение метод М. о. сохранил для ванфлековских (см. Ванфлековский парамагнетизм )и ядерных парамагн. систем, с использованием к-рых удаётся получать темп-ры милли-, микро- и даже нанокельвинового диапазона.

Для примера рассмотрим размагничивания меди. Существует два стабильных изотопа меди: 63 Сu (69,04%) и 65 Сu (30,96%). Оба изотопа имеют ядерный спин I =3/2, величина g-фактора меди с учётом вклада изотопов . При темп-рах энтропия S меди определяется ориентац. степенями свободы ядерных магн. моментов, т. к. электронные и степени свободы при столь низких темп-рах практически отсутствуют ("вымерзли"). Энтропия моля меди описывается ф-лой

где - молярная ядерная константа Кюри, X А*м 2 - ядерный магнетон , - магнитная постоянная , R - , N A - Авогадро постоянная, В - внеш. магн. поле, b - эффективное поле, наводимое на ядре меди соседними ядрами. Температурные зависимости энтропии меди, помещённой в различные внеш. магн. поля, показаны на рис.

Энтропийная диаграмма процесса магнитного охлаждения системы ядер меди с I = 3/2. . Кривые линии - зависимости энтропии S от температуры Т в магнитных полях с индукцией В , равной 8 Тл, 50 мТл и 0,3 мТл.

Процесс ядерного размагничивания меди осуществляют поэтапно. Первоначально медь охлаждают в сильном магн. поле (до точки Б на рис.). При этом внеш. холодильник, к-рым обычно является криостат растворения, отводит от меди тепло. Затем проводят процесс адиабатич. размагничивания (Б-В на рис.), к-рый идёт с сохранением энтропии меди. Скорость этого процесса обычно выбирается такой, чтобы тепловые потери за счёт токов Фуко были пренебрежимо малы. Конечная темп-pa Т к подсистемы ядер меди определяется значениями начального и конечного полей размагничивания (B H и В к )и без учёта тепловых потерь во время размагничивания равна

Ядерная теплоёмкость С меди после размагничивания также зависит от величины конечного поля

После размагничивания подсистема ядер может быть использована в качестве хладагента для охлаждения других систем (процесс ВГ), а затем медь снова намагничивают (процесс ГА). На рис. проиллюстрирован также эксперимент по глубокому охлаждению ядер меди (Б-Д), в к-ром удаётся получить темп-ру ядер 10 нК.

Практич. применение метода М. о. ограничено относительно плохим контактом магн. подсистемы с др. подсистемами вещества. В результате при охлаждении подсистемы ядер меди до К электроны проводимости остаются охлаждёнными лишь до , а жидкий гелий удаётся охладить только до (из-за Капицы скачка температуры ). С др. стороны, количество теплоты, к-рое может поглотить система ядерных спинов, тем меньше, чем ниже темп-pa. Поэтому при использовании ядерного размагничивания в качестве метода охлаждения темп-ру подсистемы ядер обычно поддерживают близкой к темп-ре охлаждаемых образцов.

Одной из разновидностей метода М. о. является т. н. метод охлаждения ядер во вращающейся системе координат. Метод эффективен, когда тепловой контакт подсистемы ядер (спиновой ядерной системы) с др. подсистемами вещества пренебрежимо мал. В этом методе на спиновую систему непрерывно воздействуют радиочастотным полем, к-рое можно рассматривать как стационарное, если для спинов ввести вращающуюся с частотой поля систему координат. При переходе во вращающуюся систему координат к внеш. магн. полю В необходим добавить эффективное поле - частота, -