Det är ytterst viktigt att skapa ett kompakt, miljövänligt, energieffektivt och mycket tillförlitligt kylskåp som fungerar inom rummets temperaturområde. Denna uppgift beror på ett antal allvarliga anspråk på de befintliga kylsystemen. Det är känt att det vid drift av kylskåp som för närvarande används kan förekomma läckage av arbetsgaser (köldmedier) som orsakar så allvarliga miljöproblem som ozonnedbrytning och global uppvärmning är möjliga. Bland en rad olika alternativa tekniker som skulle kunna användas i kylanordningar, fäster forskare runt om i världen allt mer uppmärksamhet vid tekniken med magnetisk kylning. Intensivt arbete med magnetisk kylning pågår i många laboratorier och universitet i Europa, USA, Kanada, Kina och Ryssland.

Ett magnetiskt kylskåp är en miljövänlig anordning som gör det möjligt att avsevärt minska energiförbrukningen. Den sistnämnda omständigheten är ytterst viktig med tanke på det verkligt enorma antal kylenheter som människan använder inom olika områden av sin verksamhet. Den magnetiska kyltekniken bygger på förmågan hos alla magnetiska material att ändra sin temperatur och entropi under påverkan av ett magnetfält. Denna förmåga visar sig när man komprimerar eller expanderar gas eller ånga i traditionella kylskåp. En sådan förändring av det magnetiska materialets temperatur eller entropi till följd av en förändring av magnetfältets styrka kallas magnetokalorisk effekt (nedan kallad MCE).
Förändringen av det magnetiska materialets temperatur är resultatet av en omfördelning av det magnetiska ämnets inre energi mellan systemet av magnetiska moment hos dess atomer och kristallgitter. Det maximala värdet av MCE erhålls i magnetiskt ordnade material, såsom ferromagneter, antiferromagneter etc., som ligger vid temperaturer för magnetiska fasövergångar (temperaturer för magnetisk ordning – Curie, Neel etc.).
Den största fördelen med anordningar för magnetisk kylning är förknippad med en hög densitet hos värmeöverföringsmaterialet – en fast kropp jämfört med ångans eller gasens densitet. Förändringen av entropin per volymenhet i fasta magnetiska material är sju gånger högre än i en gas. Detta gör det möjligt att konstruera kylskåp som är mer kompakta. Själva det magnetiska arbetsmediet fungerar som en analog till de köldmedier som används i traditionella kylanläggningar med kombinerad cykel. Dessutom är avmagnetiserings-magnetiseringsprocessen analog med kompressions-expansionscykler. Effektiviteten hos alla kylskåp bestäms huvudsakligen av mängden irreversibelt arbete som utförs under cykeln – för de effektiva anordningarna bör den vara så låg som möjligt. I ett gasuppvärmt kylskåp finns det anordningar som producerar en betydande mängd irreversibelt arbete – en regenerator, en kompressor och värmeväxlare.
En stor del av det irreversibla arbetet utförs i värmeväxlarna. Det är direkt proportionellt mot den adiabatiska förändringen av arbetsvätskans temperatur. Det är mycket större i en gas än i ett magnetiskt material. På grund av detta sker den mest effektiva värmeavledningen med magnetisk, särskilt i den regenerativa, kylcykeln. Den speciella utformningen av värmeväxlaren och användningen av en regenerator med stor yta gör det möjligt att uppnå en liten del av det irreversibla arbetet under den magnetiska kylningen. Effektiviteten hos den magnetiska regenerativa kylcykeln i temperaturområdet från 4,5 till 300 0K kan vara från 38 till 60 % av Carnotcykeln (ca 52 % effektivitet i temperaturområdet från 20 till 150 0K och ca 85 % i området från 150 till 300 0K). I alla skeden av cykeln kommer värmeöverföringsförhållandena därmed att vara de bästa som är kända i dag. Dessutom innehåller magnetiska kylskåp ett litet antal rörliga delar, arbetar vid låga frekvenser, vilket gör det möjligt att minimera kylskåpets slitage och öka dess drifttid.

Kronologin för detta problem. Grundläggande principer för magnetisk kylning

1. Warburg upptäckte MCE för relativt länge sedan, 1881. Han observerade hur järnprovet under inverkan av ett magnetfält värmdes upp eller kyldes. Denna vetenskapsman drog slutsatsen att temperaturförändringen hos provet är en följd av förändringen av den inre energin hos ett ämne, som har en magnetisk struktur, under påverkan av ett magnetfält.

Det var dock fortfarande långt kvar till praktisk användning av detta fenomen. Langevin (1905) var den förste som visade att magnetiseringsförändringen hos en paramagnet leder till en reversibel temperaturförändring hos ett prov. Själva den magnetiska kylningen föreslogs nästan 50 år efter upptäckten av MCE av två amerikanska forskare, Peter Debye (1926) och William Giauque (1927), oberoende av varandra, som ett sätt att uppnå temperaturer under kokpunkten för flytande helium. Jiok och McDougall var de första som demonstrerade det enklaste experimentet med magnetisk kylning 1933. Lite senare gjordes det också av de Haas (1933) och Kurti (1934). Under detta experiment var det möjligt att nå en temperatur på 0,25 0K. Som värmeöverförande ämne användes dessutom det pumpade flytande heliumet vid en temperatur på 1,5 0K.
Pillret med det magnetiska saltet befann sig i ett termiskt jämviktstillstånd med det värmesänkande materialet, samtidigt som det fanns ett starkt magnetfält i solenoiden. När solenoiden laddades ur har det magnetiska pillret blivit termiskt isolerat och dess temperatur sänkts. Denna teknik, som kallas kylning genom adiabatisk avmagnetisering, är en vanlig laboratorieteknik som används för att uppnå extremt låga temperaturer. Kapaciteten hos ett sådant kylskåp och dess arbetstemperaturområde är dock för liten för industriella tillämpningar. Mer komplexa metoder, med termisk regenerering och cykliska förändringar i magnetfältet, föreslogs under 60-talet av förra seklet. År 1976 demonstrerade J. Brown (från NASA) ett regenerativt magnetiskt kylskåp som fungerade vid en arbetstemperatur på 50 0K redan vid rumstemperatur. Kylskåpets effekt och verkningsgrad var dock fortfarande låg i detta fall eftersom temperaturgradienten måste upprätthållas genom att blanda vätskevärmelagret, och den tid som krävdes för att ladda och urladdning av magneten var för lång.
De små kylanordningarna med låg effekt byggdes på 80- och 90-talet i flera forskningscentra: Los Alamos National Lab, Navy Lab at Annapolis, Oak Ridge National Lab, Astronautics (alla USA), Toshiba (Japan). För närvarande finansierar flera NASA-forskningscentra arbeten med kompakta magnetiska kylskåp för rymdtillämpningar enligt principen om adiabatisk avmagnetisering. Astronautics Corporation of America (USA, Wisconsin) och University of Victoria (Kanada) genomför studier av de magnetiska kylskåpens möjligheter för kommersiella tillämpningar. Forskning om material för en fungerande fast kropp för magnetiska kylskåp ur tillämpad synvinkel bedrivs för närvarande intensivt av Ames Laboratory (Ames, Iowa), University of Three Rivers i Quebec (Kanada), NIST (Gaithersburg, MD) och företaget Advanced Magnetic Technologies and Consulting (AMT&C).

Under 1997 demonstrerade ”Astronautics Corporation of America” ett relativt kraftfullt (600 watt) magnetiskt kylskåp som fungerar nära rumstemperatur. Effektiviteten hos detta kylskåp var redan jämförbar med effektiviteten hos konventionella freonkylskåp. Denna anordning, som använder en aktiv magnetisk regenerator (där funktionerna hos en termisk regenerator och ett arbetsmedium kombineras), fungerade i mer än 1 500 timmar vid rumstemperatur, en effekt på 600 watt. Verkningsgraden var cirka 35 % i förhållande till Carnotcykeln vid ett magnetfält på fem Tesla. I denna anordning användes som supraledande solenoid och som arbetande fastkropp den sällsynta jordartsmetallen gadolinium (Gd). Ett rent gadolinium användes i denna egenskap inte bara av Astronautics, utan även av NASA, flottan och andra laboratorier, vilket beror på dess magnetiska egenskaper, nämligen – en lämplig Curie-temperatur (ca 293 0K) och en närvaro av den ganska betydande magnetokaloriska effekten. MCE-storleken, och därmed kylprocessens effektivitet i ett magnetiskt kylskåp, bestäms av egenskaperna hos de magnetiska arbetskropparna.
Under 1997 rapporterade Ames Research Center om upptäckten av fyra gigantiska magnetokaloriska effekter i Gd5 (Si2Ge1-X)-föreningarna. Den magnetiska ordningstemperaturen för dessa material kan variera över ett brett område från 20 0 K till rumstemperatur på grund av en förändring i förhållandet mellan kisel (Si) och germanium (Ge). De mest lovande för användning som fungerande fasta kroppar är för närvarande gadoliniummetallen, ett antal intermetalliska föreningar baserade på sällsynta jordartsmetaller, ett system av silicid-germanidföreningar Gd5 (Ge-Si) 4, och även La (Fe-Si) 13. Användningen av dessa material gör det möjligt att utvidga kylskåpets arbetstemperaturområde och förbättra dess ekonomiska indikatorer avsevärt. Det bör noteras att det banbrytande arbetet med att söka efter effektiva legeringar för magnetiska kylskåp som arbetar med fasta kroppar utfördes flera år tidigare vid fysikinstitutionen vid Moskvas universitet. De mest fullständiga resultaten av dessa forskares arbete finns redovisade i den doktorsavhandling som den ledande forskarassistenten vid fysikfakulteten vid Moskvas statliga universitet, A.M. Tishina, lade fram 1994.
I samband med detta arbete har många möjliga kombinationer av sällsynta jordartsmetaller och magnetiska metaller och andra material analyserats med utgångspunkt i sökandet efter optimala legeringar för att förverkliga magnetisk kylning i de olika temperaturområdena. Man fann särskilt att bland material med höga magnetokaloriska egenskaper har föreningen Fe49Rh51 (järn-rhodiumlegering) den största specifika (dvs. per enhet magnetfält) magnetokaloriska effekten. Den specifika magnetokaloriska effekten för denna förening är flera gånger större än för silicid-germanidföreningarna. Denna legering kan inte användas i praktiken på grund av sin höga kostnad och avsaknaden av betydande hystereseeffekter i den. Den kan dock tjäna som ett slags standard med vilken man kan jämföra de magnetokaloriska egenskaperna hos de material som studeras. Slutligen rapporterade Science News (v.161, n.1, s.4, 2002) om skapandet av världens första kylskåp (som inte bara kan användas för vetenskapliga ändamål utan även för hushållsändamål). En fungerande modell av ett sådant kylskåp tillverkades gemensamt av Astronautics Corporation of America och Ames Laboratory och demonstrerades för första gången vid G8-konferensen i Detroit i maj 2002. Den fungerande prototypen av det föreslagna magnetiska kylskåpet för hushållsbruk fungerar vid rumstemperaturer och använder en permanentmagnet som fältkälla. Anordningen fick ett mycket gott omdöme av experter och den amerikanska energiministern. Uppskattningar visar att användningen av magnetiska kylskåp kommer att minska den totala energiförbrukningen i USA med 5 %. Det planeras att magnetisk kylning kan användas inom olika områden av mänsklig verksamhet, t.ex. i:

• vätekondensatorer,
• kylanordningar för höghastighetsdatorer och anordningar baserade på SQUIDs,
• luftkonditioneringsapparater för bostads- och industrilokaler,
• kylsystem för fordon,
• hushållskylskåp och industrikylskåp, osv.

Det bör noteras att arbetet med magnetiska kylskåp har finansierats av det amerikanska energidepartementet redan i 20 år.

Kylskåpets konstruktionsstruktur

I den skapade prototypen av det magnetiska kylskåpet används ett konstruktionsarrangemang med roterande hjul. Den består av ett hjul som innehåller segment med gadoliniumpulver samt den kraftfulla permanentmagneten.

Denna konstruktion är utformad på ett sådant sätt att hjulet rullar genom magnetens arbetsgap, där magnetens magnetfält är koncentrerat. När ett segment med gadolinium kommer in i gadoliniumets magnetfält uppstår en magnetokalorisk effekt – det värms upp. Denna värme avlägsnas genom en vattenkyld värmeväxlare. När gadolinium lämnar magnetfältzonen uppstår en magnetokalorisk effekt av motsatt tecken och materialet kyls ytterligare, vilket kyler värmeväxlaren med det andra vattenflödet som cirkulerar i den. Detta flöde används för att frysa kylkammaren i det magnetiska kylskåpet. En sådan anordning är kompakt och fungerar praktiskt taget ljudlöst och utan vibrationer, vilket skiljer den från de kylskåp som för närvarande används med en ång- och gascykel. För första gången godkändes denna teknik redan i september 2001. För närvarande pågår arbete för att utöka dess kapacitet ytterligare: den tekniska processen för kommersiell produktion av rent gadolinium och dess nödvändiga föreningar håller på att förbättras, vilket kommer att göra det möjligt att uppnå ett högre värde av MCE till en lägre kostnad. Samtidigt konstruerade personalen vid Ameslaboratoriet en permanentmagnet som kan skapa ett starkt magnetfält. Den nya magneten skapar ett fält som är dubbelt så starkt som magneten i den tidigare konstruktionen av det magnetiska kylskåpet (2001). Det är mycket viktigt eftersom magnetfältets storlek bestämmer sådana parametrar som kylskåpets effektivitet och utgångseffekt. Patentansökningar för framställning av en förening för arbetssubstansen Gd5 (Si2Ge2) och konstruktionen av en permanentmagnet har lämnats in.

Fördelar, nackdelar och tillämpningar

Alla magnetiska kylskåp kan delas in i två klasser beroende på vilken typ av använda magneter:

• system som använder supraledande magneter;
• system på de permanenta magneterna.

De förstnämnda har ett brett område av driftstemperaturer och en relativt hög uteffekt. De kan till exempel användas i luftkonditioneringssystem i stora lokaler och i utrustning för livsmedelsförvaring. Kylsystemen med permanentmagnetar har ett relativt begränsat temperaturområde (högst 303 K per cykel) och kan i princip användas i apparater med en genomsnittlig effekt (upp till 100 watt). Till exempel som en bilkylare eller ett bärbart kylskåp för picknick är. De har dock båda ett antal fördelar jämfört med de traditionella kylsystemen med kombinerad cykel:

• Låg miljörisk. Arbetskroppen är solid och kan lätt isoleras från miljön. De lantanidmetaller som används som arbetskroppar har låg toxicitet och kan återanvändas efter det att anordningen har kasserats. Det värmeavledande mediet får endast ha en låg viskositet och tillräcklig värmeledningsförmåga, vilket väl motsvarar egenskaperna hos vatten, helium eller luft. De är väl kompatibla med miljön.

• Hög effektivitet. Magnetokalorisk uppvärmning och kylning är praktiskt taget reversibla termodynamiska processer, till skillnad från processen med ångkompression i arbetscykeln för ett kylskåp med kombinerad cykel. Teoretiska beräkningar och experimentella studier visar att de magnetiska kylaggregaten kännetecknas av högre effektivitet och I synnerhet när det gäller rumstemperaturer är de magnetiska kylskåpen potentiellt 20-30 % effektivare än vad de som arbetar i gasdampcykeln är. Tekniken för magnetisk kylning i framtiden kan vara mycket effektiv, vilket avsevärt kommer att minska kostnaden för sådana installationer.

• Lång livslängd. Tekniken innebär att ett litet antal rörliga delar och ett fåtal driftfrekvenser används i kylanordningarna, vilket avsevärt minskar deras slitage.

• Teknikens flexibilitet. Det är möjligt att använda de olika utformningarna av magnetiska kylskåp beroende på syftet.

• Användbara egenskaper för frysning. Magnetisk teknik gör det möjligt att kyla och frysa olika ämnen (vatten, luft, kemikalier) med små förändringar i varje enskilt fall. En effektiv kylcykel med kombinerad cykel kräver däremot många segregerade steg eller en blandning av olika arbetsköldmedier för samma förfarande.

• Snabba framsteg i utvecklingen av supraledning och förbättring av de magnetiska egenskaperna hos permanentmagneter är. För närvarande arbetar en hel rad välkända kommersiella företag framgångsrikt med att förbättra egenskaperna hos NdFeB-magneter (de mest effektiva permanentmagneterna) och arbetar med deras konstruktioner. Tillsammans med de kända framstegen inom supraledningsområdet gör detta att man kan hoppas på en förbättring av kvaliteten på magnetiska kylskåp och en samtidig billigare tillverkning av dem.

Nackdelar med magnetisk kylning