Rendkívül fontos, hogy jelenleg egy kompakt, környezetbarát, energiatakarékos és rendkívül megbízható, a helyiség hőmérsékleti tartományában működő hűtőszekrényt hozzunk létre. Ezt a feladatot a meglévő hűtőrendszerekkel szemben támasztott számos komoly állítás indokolja. Köztudott, hogy a jelenleg használatban lévő hűtőgépek működtetése során előfordulhatnak a munkagázok (hűtőközegek) szivárgása, amelyek olyan súlyos környezeti problémákat okozhatnak, mint az ózonréteg csökkenése és a globális felmelegedés. A hűtőberendezésekben alkalmazható számos alternatív technológia közül a kutatók egyre nagyobb figyelmet fordítanak világszerte a mágneses hűtés technológiájára. A mágneses hűtéssel kapcsolatos intenzív munka számos laboratóriumban és egyetemen folyik Európában, az Egyesült Államokban, Kanadában, Kínában és Oroszországban.

A mágneses hűtőszekrény környezetbarát eszköz, és lehetővé teszi az energiafogyasztás jelentős csökkentését. Ez utóbbi körülmény rendkívül fontos, tekintettel az ember által a tevékenysége különböző területein használt hűtőberendezések valóban hatalmas számára. A mágneses hűtési technológia azon a képességen alapul, hogy bármely mágneses anyag mágneses mező hatására képes megváltoztatni hőmérsékletét és entrópiáját. Ez a képesség a hagyományos hűtőgépekben a gáz vagy gőz sűrítésekor vagy tágításakor nyilvánul meg. A mágneses anyag hőmérsékletének vagy entrópiájának ilyen, a mágneses tér erősségének megváltozása miatti változását magnetokalorikus hatásnak (a továbbiakban MCE) nevezzük.
A mágneses anyag hőmérsékletének változása a mágneses anyag belső energiájának az atomjai és a kristályrács mágneses momentumainak rendszere közötti újraelosztásából adódik. Az MCE maximális értékét mágnesesen rendezett anyagokban, például ferromágnesekben, antiferromágnesekben stb. kapjuk, amelyek a mágneses fázisátmenetek hőmérsékletén helyezkednek el (mágneses rendeződési hőmérséklet – Curie, Neel stb.).
A mágneses hűtésre szolgáló eszközök fő előnye a hőátadó anyag – szilárd test – nagy sűrűségéhez kapcsolódik a gőz vagy gáz sűrűségéhez képest. A szilárd mágneses anyagokban az entrópia térfogategységenkénti változása hétszer nagyobb, mint a gázban. Ez lehetővé teszi, hogy kompaktabb hűtőgépeket tervezzenek. Maga a mágneses munkaközeg a hagyományos kombinált ciklusú hűtőberendezésekben használt hűtőközegek analógjaként szolgál. Sőt, a demagnetizálási-mágnesezési folyamat analóg a sűrítési-tágulási ciklusokkal. Bármely hűtőgép hatásfokát elsősorban a ciklus során végzett irreverzibilis munka mennyisége határozza meg – a hatékony készülékek esetében ennek a lehető legalacsonyabbnak kell lennie. Egy gázfűtéses hűtőszekrényben vannak olyan eszközök, amelyek jelentős mennyiségű irreverzibilis munkát végeznek – egy regenerátor, egy kompresszor és hőcserélők.
A visszafordíthatatlan munka nagy része a hőcserélőkben történik. Ez egyenesen arányos a munkafolyadék hőmérsékletének adiabatikus változásával. Ez egy gázban sokkal nagyobb, mint egy mágneses anyagban. Emiatt a leghatékonyabb hőleadás mágneses, különösen a regeneratív, hűtőkörben történik. A hőcserélő speciális kialakítása és a nagy felületű regenerátor alkalmazása lehetővé teszi, hogy a mágneses hűtés során az irreverzibilis munka kis részét érjük el. A mágneses regeneratív hűtési ciklus hatásfoka a 4,5 és 300 0K közötti hőmérséklet-tartományban a Carnot-ciklus 38-60%-a lehet (a 20 és 150 0K közötti hőmérséklet-tartományban kb. 52%-os hatásfok, a 150 és 300 0K közötti tartományban pedig kb. 85%). Ezzel a ciklus minden szakaszában a hőátadási feltételek a ma ismert legjobbak lesznek. Ezenkívül a mágneses hűtőgépek kis számú mozgó alkatrészt tartalmaznak, alacsony frekvencián működnek, ami lehetővé teszi a hűtőgép kopásának minimalizálását és működési idejének növelését.

A probléma kronológiája. A mágneses hűtés alapelvei

1. Warburg viszonylag régen, 1881-ben fedezte fel az MCE-t. Megfigyelte, hogy mágneses tér hatására a vasminta felmelegszik, illetve lehűl. Ez a tudós arra a következtetésre jutott, hogy a minta hőmérsékletének változása egy mágneses szerkezetű anyag belső energiájának mágneses tér hatására bekövetkező változásának következménye.

A jelenség gyakorlati hasznosításáig azonban még messze volt az idő. Langevin (1905-ben) volt az első, aki kimutatta, hogy egy paramágnes mágnesezettségének változása a minta hőmérsékletének reverzibilis változásához vezet. Magát a mágneses hűtést csaknem 50 évvel az MCE felfedezése után két amerikai tudós, Peter Debye (1926-ban) és William Giauque (1927-ben) javasolta, egymástól függetlenül, mint a folyékony hélium forráspontja alatti hőmérséklet elérésének módját. Jiok és McDougall 1933-ban elsőként mutatták be a mágneses hűtés legegyszerűbb kísérletét. Kicsit később ezt de Haas (1933-ban) és Kurti (1934-ben) is megtette. E kísérlet során sikerült elérni a 0,25 0K hőmérsékletet. Ezenkívül hőátadó anyagként 1,5 0K hőmérsékleten a szivattyúzott folyékony héliumot használták.
A mágneses sót tartalmazó tabletta hőegyensúlyi állapotban volt a hőelvezető anyaggal, miközben a szolenoidban erős mágneses tér volt. Amikor a szolenoid kisült, a mágneses pillér hőszigetelővé vált, és a hőmérséklete csökkent. Az ilyen, adiabatikus demagnetizálással történő hűtésnek nevezett technika szabványos laboratóriumi technika, amelyet az ultraalacsony hőmérsékletek elérésére használnak. Az ilyen hűtő kapacitása és működési hőmérséklettartománya azonban túl kicsi az ipari alkalmazásokhoz. A múlt század 60-as éveiben összetettebb módszereket javasoltak a termikus regenerálással és a mágneses tér ciklikus változtatásával. 1976-ban J. Brown (a NASA-tól) bemutatott egy regeneratív mágneses hűtőszekrényt, amely már a szobahőmérséklet tartományában, 50 0 K üzemi hőmérséklettartományban működött. A hűtő teljesítménye és hatásfoka azonban ebben az esetben is alacsony volt, mivel a hőmérséklet-gradienst a folyadékhőleadó keverésével kellett fenntartani, és a mágnes töltéséhez és kisütéséhez szükséges idő túl nagy volt.
A kis teljesítményű kis hűtőberendezéseket a 80-as és 90-es években több kutatóközpontban is megépítették: Los Alamos National Lab, Navy Lab at Annapolis, Oak Ridge National Lab, Astronautics (mind USA), Toshiba (Japán). Jelenleg több NASA-kutatóközpont finanszírozza az adiabatikus demagnetizációs műveletek elvén működő kompakt mágneses hűtőszekrényekkel kapcsolatos munkákat űralkalmazásokhoz. Az Astronautics Corporation of America (USA, Wisconsin) és a University of Victoria (Kanada) tanulmányozza a mágneses hűtőszekrények kereskedelmi alkalmazására vonatkozó lehetőségeket. A mágneses hűtőgépek működő szilárd testének anyagainak kutatását alkalmazott szempontból jelenleg intenzíven végzi az “Ames Laboratory” (Ames, Iowa), a “University of Three Rivers” Quebecben (Kanada), a NIST (Gaithersburg, MD) és az “Advanced Magnetic Technologies and Consulting” (AMT&C) vállalat.

1997-ben az ‘Astronautics Corporation of America’ bemutatott egy viszonylag nagy teljesítményű (600 wattos), közel szobahőmérsékleten működő mágneses hűtőszekrényt. Ennek a hűtőszekrénynek a hatásfoka már összehasonlítható volt a hagyományos Freon hűtőszekrények hatásfokával. Ez a készülék egy aktív mágneses regenerátort használva (amelyben a hőregenerátor és a munkaközeg funkciói egyesülnek) több mint 1500 órán keresztül működött a szobahőmérséklet tartományában, 600 wattos teljesítménnyel. A hatásfok körülbelül 35% volt a Carnot-ciklushoz képest, öt Tesla mágneses mező mellett. Ebben a készülékben szupravezető szolenoidot használtak, munkaszilárd testként pedig a gadolínium (Gd) ritkaföldfémjét. A tiszta gadolíniumot ebben a minőségben nemcsak az űrhajózás, hanem a NASA, a haditengerészet és más laboratóriumok is használták, ami mágneses tulajdonságainak köszönhető, nevezetesen – a megfelelő Curie-hőmérsékletnek (kb. 293 0 K) és a meglehetősen jelentős magnetokalorikus hatás jelenlétének. Az MCE nagyságát, és így a mágneses hűtőszekrényben a hűtési folyamat hatékonyságát a mágneses munkatestek tulajdonságai határozzák meg.
1997-ben az Ames Research Center négy óriási magnetokalorikus hatás felfedezéséről számolt be a Gd5 (Si2Ge1-X) vegyületekben. Ezen anyagok mágneses rendeződési hőmérséklete a szilícium (Si) és a germánium (Ge) arányának változása miatt 20 0 K és szobahőmérséklet között széles tartományban változhat. A működő szilárd testként való felhasználásra jelenleg a legígéretesebbek a gadolínium fém, számos ritkaföldfém-alapú intermetallikus vegyület, a szilicid-germanid vegyületek Gd5 (Ge-Si) 4 rendszere, valamint a La (Fe-Si) 13 is. Ezen anyagok használata lehetővé teszi a hűtőszekrény üzemi hőmérséklettartományának kiterjesztését és a gazdaságossági mutatóinak jelentős javítását. Meg kell jegyezni, hogy a szilárd testekben működő mágneses hűtőszekrények hatékony ötvözeteinek keresésével kapcsolatos úttörő munkákat már évekkel korábban elvégezték a Moszkvai Egyetem Fizikai Tanszékén. E kutatók legteljesebb eredményeit A. M. Tishina, a Moszkvai Állami Egyetem fizika tanszékének vezető munkatársa 1994-es doktori disszertációja tartalmazza.
E munka során a ritkaföldfémek és mágneses fémek és más anyagok számos lehetséges kombinációját elemezték abból a szempontból, hogy a különböző hőmérsékleti tartományokban a mágneses hűtés megvalósításához optimális ötvözeteket kerestek. Különösen azt találták, hogy a nagy magnetokalorikus tulajdonságokkal rendelkező anyagok közül az Fe49Rh51 (vas-ródium ötvözet) vegyület rendelkezik a legnagyobb fajlagos (azaz egységnyi mágneses mezőre jutó) magnetokalorikus hatással. A fajlagos MCE ennél a vegyületnél többszöröse a szilicidek-germanidok vegyületeinek. Ezt az ötvözetet a gyakorlatban nem lehet alkalmazni, mert magas a költsége és nincs benne jelentős hiszterézishatás. Azonban egyfajta standardként szolgálhat, amellyel a vizsgált anyagok magnetokalorikus tulajdonságait össze lehet hasonlítani. Végül a Science News (v.161, n.1, p.4, 2002) beszámolt a világ első (nemcsak tudományos, hanem háztartási célokra is alkalmazható) hűtőgépének megalkotásáról. Egy ilyen hűtőszekrény működő modelljét az Astronautics Corporation of America és az Ames Laboratory közösen gyártotta, és először 2002 májusában, a detroiti G8 konferencián mutatták be. A javasolt háztartási mágneses hűtőszekrény működő prototípusa szobahőmérséklet-tartományban működik, és állandó mágnest használ térforrásként. Ezt a készüléket a szakértők és az amerikai energiaügyi miniszter is nagyra értékelte. Becslések szerint a mágneses hűtőszekrények használata 5%-kal csökkenti az USA teljes energiafogyasztását. A tervek szerint a mágneses hűtést az emberi tevékenység különböző területein lehet alkalmazni, például:

• hidrogén cseppfolyósítókban,
• nagysebességű számítógépek és a SQUID-eken alapuló eszközök hűtőberendezéseiben,
• lakó- és ipari helyiségek légkondicionálóiban,
• járművek hűtőrendszereiben,
• háztartási és ipari hűtőszekrényekben stb.

Meg kell jegyezni, hogy a mágneses hűtőszekrényekkel kapcsolatos munkákat már 20 éve finanszírozza az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma.

Hűtőszekrény szerkezeti felépítése

A mágneses hűtőszekrény létrehozott prototípusában forgó kerékszerkezeti elrendezést alkalmaznak. Ez egy gadolíniumport tartalmazó szegmenseket tartalmazó kerékből, valamint az erős állandó mágnesből áll.

Ezt a konstrukciót úgy alakították ki, hogy a kerék a mágnes munkahézagában gördült végig, amelyben a mágneses tér koncentrálódik. Amikor egy gadolíniummal ellátott szegmens belép a gadolínium mágneses mezejébe, magnetokalorikus hatás lép fel – felmelegszik. Ezt a hőt egy vízhűtéses hőcserélő távolítja el. Amikor a gadolínium elhagyja a mágneses mező zónáját, ellentétes előjelű magnetokalorikus hatás lép fel, és az anyag tovább hűl, hűtve a hőcserélőt a benne keringő második vízáramlással. Ez az áramlás tulajdonképpen a mágneses hűtőszekrény hűtőkamrájának fagyasztására szolgál. Egy ilyen készülék kompakt, és gyakorlatilag zajtalanul és rezgésmentesen működik, ami megkülönbözteti a jelenleg használt, gőz-gáz-ciklussal működő hűtőgépektől. Először 2001 szeptemberében hagyták jóvá ezt a technológiát. Jelenleg a képességek további bővítésén dolgoznak: javítják a tiszta gadolínium és a szükséges vegyületek kereskedelmi előállításának technológiai folyamatát, ami lehetővé teszi az MCE nagyobb értékének alacsonyabb költséggel történő elérését. Ezzel párhuzamosan az Ames Laboratórium munkatársai egy erős mágneses tér létrehozására alkalmas állandó mágnest építettek. Az új mágnes kétszer olyan erős mezőt hoz létre, mint a mágneses hűtőszekrény korábbi (2001-es) konstrukciójában használt mágnes. Ez nagyon fontos, mert a mágneses mező nagysága olyan paramétereket határoz meg, mint a hűtőszekrény hatásfoka és kimenő teljesítménye. A Gd5 (Si2Ge2) munkaanyag vegyületének előállítására és az állandó mágnes megépítésére szabadalmi bejelentéseket nyújtottak be.

Előnyök, hátrányok és alkalmazások

Az összes mágneses hűtőgép a felhasznált mágnesek típusa szerint két osztályba sorolható:

• szupravezető mágneseket használó rendszerek;
• állandó mágneseken alapuló rendszerek.

Az elsőnek széles üzemi hőmérséklet-tartománya és viszonylag nagy kimenő teljesítménye van. Használhatók például a nagy helyiségek légkondicionáló rendszereiben és az élelmiszer-tároló berendezésekben. Az állandó mágneses hűtőrendszerek viszonylag korlátozott hőmérséklettartományban működnek (ciklusonként legfeljebb 303 °K), és elvileg az átlagos teljesítményű (legfeljebb 100 wattos) készülékekben használhatók. Például, mint egy autóhűtő vagy egy hordozható piknik hűtőszekrény. Mindkettőnek azonban számos előnye van a hagyományos kombinált ciklusú hűtőrendszerekkel szemben:

• Alacsony környezeti kockázat. A munkatest szilárd, és könnyen elszigetelhető a környezettől. A munkatestként használt lantanid fémek alacsony toxicitásúak, és a készülék ártalmatlanítása után újra felhasználhatók. A hőelvonó közegnek csak alacsony viszkozitással és megfelelő hővezető képességgel kell rendelkeznie, ami jól megfelel a víz, a hélium vagy a levegő tulajdonságainak. Jól összeegyeztethetőek a környezettel.

• Nagy hatékonyság. A magnetokalorikus fűtés és hűtés gyakorlatilag reverzibilis termodinamikai folyamat, ellentétben a kombinált ciklusú hűtőszekrények munkaköri ciklusában a gőzkompresszió folyamatával. Elméleti számítások és kísérleti vizsgálatok azt mutatják, hogy a mágneses hűtőegységeket magasabb hatásfok jellemzi, és Különösen a szobahőmérsékletek területén a mágneses hűtőgépek potenciálisan 20-30%-kal hatékonyabbak, mint a gázgőz-ciklusban működő hűtőgépek. A mágneses hűtés technológiája a jövőben nagyon hatékony lehet, ami jelentősen csökkenti az ilyen berendezések költségeit.

• Hosszú élettartam. A technológia során a hűtőberendezésekben kevés mozgó alkatrészt és kevés működési frekvenciát alkalmaznak, ami jelentősen csökkenti azok elhasználódását.

• A technológia rugalmassága. Lehetőség van a mágneses hűtőszekrények különböző kialakításainak használatára a céltól függően.

• A fagyasztás hasznos tulajdonságai. A mágneses technológia lehetővé teszi a különböző anyagok (víz, levegő, vegyi anyagok) hűtését és fagyasztását, minden esetben kisebb változtatásokkal. Ezzel szemben egy hatékony, kombinált ciklusú hűtési ciklus sok elkülönített szakaszt vagy különböző működő hűtőközegek keverékét igényli ugyanahhoz az eljáráshoz.

• A szupravezetés fejlesztése és az állandó mágnesek mágneses tulajdonságainak javítása terén elért gyors fejlődés. Jelenleg egy egész sor ismert kereskedelmi vállalat foglalkozik sikeresen az NdFeB mágnesek (a leghatékonyabb állandó mágnesek) tulajdonságainak javításával és dolgozik a konstrukciókon. A szupravezetés területén elért ismert fejlődéssel együtt ez lehetővé teszi a mágneses hűtők minőségének javulását és egyidejű olcsóbbá válását.

A mágneses hűtés hátrányai