Создание экономичного, надежного, отвечающего высоким экологическим требованиям холодильника, который мог бы при этом работать в диапазоне обычных комнатных температур остается актуальным на протяжении по крайней мере последнего полувека. Одной из наиболее перспективных технологий на этом пути сегодня признается технология магнитного охлаждения.
То же это за технология? Она базируется на практическом применении магнитокалорического эффекта (МКЭ), т.е. на способности любого магнитного материала изменять свою температуру под воздействием появляющегося и пропадающего (изменяющегося) магнитного поля. В принципе, сходный процесс происходит и в традиционном холодильнике, только с поправкой на сжатие и расширении газа (пара) Не вдаваясь глубоко в теоретическую основу этого процесса можно упомянуть, что изменение температуры магнитного материала происходят по причине перераспределения внутренней энергии магнитного вещества под воздействием изменяющегося магнитного поля.
МКЭ был открыт и описан ещё в 1881 году, однако только в 1905 году удалось наглядно продемонстрировать, как цикличное изменение намагниченности парамагнетика приводит к цикличному (т.е. обратимому) изменению температуры образца. В 1976 году продемонстрировали магнитный холодильник, действующий уже вблизи комнатной температуры, но его мощность и эффективность оказались весьма низкими. Так же, небольшие магнитные холодильные устройства были построены в 80-х-90-х годах сразу в нескольких лабораториях. К 1997 году смогли продемонстрировать относительно мощный (600 Ватт) магнитный холодильник, работающий вблизи комнатной температуры эффективность которого была близка к эффективности фреоновых холодильников.
Настоящим прорывом можно считать открытие и практическое применение соединения Gd5(SiхGe1-х)4, обладающего гигантским магнетокалорическим эффектом. Этот материал основан на редкоземельном металле гадолинии (Gd) в комбинации с кремнием (Si) и германием (Ge). На его базе в 2002 году появился первый в мире полноценный бытовой магнитный холодильник, который не только действует в области комнатных температур, но при этом использует в качестве источника поля постоянный магнит, не требующий специального дополнительного охлаждения.
В итоге принципиальная конструкция холодильника оказалась довольно проста: она составлена из колеса, содержащего сегменты с порошком гадолиния и мощного постоянного магнита. При работе колесо прокручивается через рабочий зазор магнита, в котором сконцентрировано магнитное поле. В сегменте с гадолинием при попадании в магнитное поле в гадолинии возникает магнетокалорический эффект - он нагревается. Это тепло отводится теплообменником, охлаждаемым жидкостью (например, обычной водой). Когда сегмент с гадолинием выходит из магнитного поля, возникает магнетокалорический эффект противоположного направления и материал дополнительно охлаждается, охлаждая теплообменник с циркулирующим в нем вторым потоком жидкости. Этот низкотемпературный поток и используется для охлаждения холодильной камеры. Полученное устройство является компактным, работает бесшумно и характеризуется полным отсутствием вибраций. Что же касается энергоэффективности, то в таком исполнении постоянный магнит и рабочее тело в виде гадолиния не требуют дополнительного подвода энергии, которая необходима только для вращения колеса и обеспечения работы жидкостных насосов.
Существующие на сегодня магнитные холодильники делятся по типу используемых магнитов: системы, использующие сверхпроводящие магниты и системы на постоянных магнитах. Холодильники на сверхпроводящих магнитах обладают широким диапазоном рабочих температур и относительно высокой выходной мощностью. Системы на постоянных магнитах имеют относительно ограниченный температурный диапазон (не более, чем на 30 ° C за один цикл) и пока могут применяться в устройствах с мощностью до 100 Ватт (например, портативный холодильник). Но и те, и другие обладают целым рядом преимуществ над традиционными парогазовыми холодильными системами:
Преимущества магнитных систем охлаждения:
-
Экологическая безопасность: Применяемые металлы малотоксичны, и могут быть использованы повторно после утилизации устройства. Теплоотводящая среда соответствует свойствам воды, гелия или воздуха.
- Высокая эффективность. Магнитокалорическое нагревание и охлаждение – практически обратимые термодинамические процессы, в отличие от процесса сжатия пара в рабочем цикле парогазового холодильника. Технология магнитного охлаждения в перспективе может быть очень эффективной, что позволит значительно сократить стоимость таких установок.
- Долгий срок эксплуатации. Используется малое число движущихся деталей что низкие рабочие частоы в охлаждающих устройствах, что радикально сокращает их износ.
- Универсальные свойства заморозки. Магнитная технология позволяет производить охлаждение и заморозку различных веществ (вода, воздух, химикаты) с незначительными изменениями для каждого случая.
Недостатки магнитного охлаждения.
-
Необходимость экранировки магнитного источника.
-
Относительно высокая в настоящее время цена источников магнитного поля.
- Ограниченный интервал изменения температуры в одном цикле охлаждения в системах на постоянных магнитах. (не более 30 ° С).
Чего же можно ожидать в ближайшей перспективе? Поскольку наблюдается постоянный и быстрый прогресс в развитии технологий сверхпроводимости и улучшении магнитных свойств постоянных магнитов (магниты NdFeB) можно с уверенностью рассчитывать на улучшение качества магнитных холодильников и одновременное их удешевление.