Плетнев С.В. Магнитное поле: свойства, применение

Подождите немного. Документ загружается.

комнатных температур, чрезвычайно актуальна в настоящее время. Это обу-

словлено целым рядом серьезных претензий к ныне действующим охлаждаю-

щим системам. Известно, в частности, что при эксплуатации используемых в

настоящее время возможны утечки рабочих газов (хладагентов), вызывающих

такие серьезные экологические проблемы как разрушение озонового слоя и

глобальное потепление. Среди разнообразных альтернативных технологий,

которые могли бы использоваться в холодильных устройствах, все большее

внимание исследователей во всем мире привлекает технология магнитного

охлаждения. Интенсивные работы, посвященные магнитному охлаждению,

ведутся во многих лабораториях и университетах Европы, США, Канады,

Китая и России. Магнитный холодильник экологически безопасен и позволяет

значительно снизить потребление электроэнергии. Последнее обстоятельство

чрезвычайно важно с учетом поистине огромного количества холодильных

установок, используемых человеком в самых различных областях его деятель-

ности.

Технология магнитного охлаждения основана на способности любого

магнитного материала изменять свою температуру и энтропию под воздейст-

вием магнитного поля, как это происходит при сжатии или расширении газа

или пара в традиционных холодильниках. Такое изменение температуры или

энтропии магнитного материала при изменении напряженности магнитного

поля, в котором он находится, называется магнитокалорическим эффектом

(МКЭ). Изменение температуры магнитного материала происходит в резуль-

тате перераспределения внутренней энергии магнитного вещества между сис-

темой магнитных моментов его атомов и кристаллической решеткой. Макси-

мальной величины МКЭ достигает в магнитоупорядоченных материалах,

таких как ферромагнетики, антиферромагнетики и т.п., при температурах маг-

нитных фазовых переходов (температурах магнитного упорядочения — Кюри,

Нееля и т.д.). Главное преимущество аппаратов для магнитного охлаждения

связано с высокой плотностью материала — твердого тела — по сравнению с

плотностью пара или газа. Изменение энтропии на единицу объёма в твёрдых

магнитных материалах в 7 раз выше, чем в газе. Это позволяет делать значи-

тельно более компактные холодильники, используя в качестве рабочего тела

магнитный материал. Само магнитное рабочее тело служит аналогом хлада-

гентов, используемых в традиционных парогазовых холодильных установках,

а процесс размагничивания-намагничивания - - аналогом циклов сжатия -

расширения.

Эффективность работы холодильника главным образом определяется ко-

личеством необратимой работы, производимой в течение цикла — для эффек-

тивных устройств оно должно быть как можно ниже. В газовом рефрижераторе

существуют устройства, производящие значительное количество необратимой

работы — это регенератор, компрессор и теплообменники. Значительная часть

необратимой работы производится в теплообменниках — она прямо пропор-

циональна адиабатическому изменению температуры рабочего тела, которое

значительно больше в газе, чем в магнитном материале. По этой причине

381

наиболее эффективный отвод тепла происходит в магнитном холодильном

цикле, особенно в регенеративном. Специальная конструкция теплообменника

и использование регенератора с большой площадью поверхности позволяют

добиться малой доли необратимой работы при магнитном охлаждении. В

соответствии с теоретическими оценками эффективность магнитного регене-

ративного холодильного цикла в температурном диапазоне от 4.5 до 300 К

может составлять от 38 до 60 % эффективности цикла Карно (около 52 %в

интервале температур от 20 до 150 К, и около 85% в интервале от 150 до 300

К). При этом на всех этапах цикла условия теплопередачи будут наиболее

совершенными из известных. Кроме того, магнитные холодильники включают

в себя небольшое количество движущихся деталей и работают при низких

частотах, что позволяет свести к минимуму износ холодильника и увеличить

время его эксплуатации.

Хронология проблемы.

Основные принципы магнитного охлаждения

МКЭ был открыт сравнительно давно (в 1881 году) Е. Варбургом (Е.

Warburg). Варбург наблюдал, как под действием магнитного поля железный

образец нагревался или охлаждался. Ученый сделал вывод о том, что измене-

ние температуры образца есть следствие изменения внутренней энергии веще-

ства, обладающего магнитной структурой, под действием поля. Однако до

практического использования этого явления было еще далеко. Ланжевен

(Langevin, 1905) был первым, кто продемонстрировал, что изменение намаг-

ниченности парамагнетика приводит к обратимому изменению температуры

образца.

Собственно магнитное охлаждение было предложено спустя почти 50 лет

после открытия МКЭ независимо двумя американскими учеными Петером

Дебаем (Peter Debye, 1926) и Уильямом Джиоком (William Giauque, 1927) как

способ достижения температур ниже точки кипения жидкого гелия. Джиок и

МакДугалл были первыми, кто продемонстрировал простейший эксперимент

по магнитному охлаждению в 1933 году. (Чуть позже это сделали также де Гааз

(de Haas, 1933) и Курти (Kurti, 1934). В ходе этого эксперимента удалось

достичь температуры 0.25 К, а в качестве теплоотводящей субстанции исполь-

зовался накачиваемый жидкий гелий при температуре 1.5 К. Таблетка с маг-

нитной солью находилась в состоянии теплового равновесия с теплоотводя-

щим веществом, пока в соленоиде существовало сильное магнитное поле.

Когда же соленоид разряжался, магнитная таблетка термически изолировалась

и её температура понижалась. Такая техника, называемая охлаждением адиа-

батическим размагничиванием, является стандартной лабораторной техникой,

применяемой для получения сверхнизких температур. Однако, мощность та-

кого рефрижератора и его рабочий интервал температур слишком малы для

промышленных применений.

Более сложные методы, включающие в себя тепловую регенерацию и

циклические изменения магнитного поля, были предложены в 60-х годах

382

прошлого столетия. Дж. Браун из НАСА в 1976 году продемонстрировал

регенеративный магнитный холодильник, действующий уже вблизи комнат-

ной температуры с рабочим интервалом температур в 50 К. Мощность холо-

дильника и его эффективность и в этом случае были низкими, поскольку

температурный градиент необходимо было поддерживать путем перемешива-

ния теплоотводящей жидкости, а время, необходимое для зарядки и разрядки

магнита было слишком большим. Небольшие маломощные холодильные уст-

ройства были построены в 80-х-90-х годах сразу в нескольких исследователь-

ских центрах: Los Alamos National Lab, the Navy Lab at Annapolis, Oak Ridge

National Lab, Astronautics (все США), Toshiba (Япония) .

В настоящее время работы над небольшими магнитными холодильниками

для космических применений, работающими по принципу адиабатического

размагничивания, финансируются несколькими исследовательскими центра-

ми НАСА. Исследования возможностей магнитных холодильников для ком-

мерческих применений ведутся Astronautics Corporation of America (США,

Висконсин) и Университетом Виктория (Канада). Изучением материалов для

рабочих тел магнитных холодильников с прикладной точки зрения в настоя-

щее время интенсивно занимаются Лаборатория Эймса (Ames, штат Айова),

Университет Three Rivers в Квебеке (Канада), NIST (Gathersburg, MD) и ком-

пания "Перспективные магнитные технологии и консультации" (АМТ&С).

В 1997 году Astronautics Corporation of America продемонстрировала от-

носительно мощный (600 Ватт) магнитный холодильник, работающий вблизи

комнатной температуры. Эффективность этого холодильника была уже срав-

нима с эффективностью обычных фреоновых холодильников. Использующий

активный магнитный регенератор (в этом устройстве совмещены функции

теплового регенератора и рабочего тела), этот холодильник работал в течение

более чем 1500 часов, обеспечивая рабочий интервал температур в 10 К вблизи

комнатной температуры, мощность 600 Ватт, эффективность около 35 % по

отношению к циклу Карно при изменении магнитного поля величиной 5 Тесла.

В описываемом устройстве применялся сверхпроводящий соленоид, а в каче-

стве рабочего тела использовался редкоземельный металл гадолиний (Gd).

Чистый гадолиний использовался в этом качестве не только Astronautics, но и

НАСА, Navy и др. лабораториями, что обусловлено его магнитными свойства-

ми, а именно -- подходящей температурой Кюри (около 20 °С) и довольно

значительным магнетокалорическим эффектом.

Величина МКЭ, а следовательно и эффективность процесса охлаждения в

магнитном холодильнике определяется свойствами магнитных рабочих тел. В

1997 году Лаборатория Эймса сообщила об открытии в соединениях

Gd5(SixGel-x)4 гигантского магнетокалорического эффекта. Температура

магнитного упорядочения этих материалов может варьироваться в широких

пределах от 20 К до комнатной температуры благодаря изменению соотноше-

ния содержания кремния (Si) и германия (Ge). Наиболее перспективными для

использования в качестве рабочих тел в настоящее время считаются металл

гадолиний, ряд интерметаллических соединений на основе редкоземельных

383

элементов, система соединений силицидов-германидов Gd5(Ge-Si)4, а также

La(Fe-Si)13. Применение этих материалов позволяет расширить рабочий ин-

тервал температур холодильника и существенно улучшить его экономические

показатели.

Заметим, однако, что пионерские работы по поиску эффективных сплавов

для рабочих тел магнитных холодильников были выполнены на несколько лет

раньше на физическом факультете Московского университета . Наиболее пол-

ные результаты этих исследований изложены в докторской диссертации веду-

щего научного сотрудника физическом факультете МГУ А. М. Тишина 1994

года. В ходе этой работы были проанализированы многочисленные возможные

комбинации редкоземельных и магнитных металлов и других материалов с

точки зрения поиска оптимальных сплавов для реализации магнитного охлаж-

дения в различных диапазонах температур. Было обнаружено, в частности, что

среди материалов с высокими магнетокалорическими свойствами соединение

Fe49Rh51 (сплав железа с родием) обладает наибольшим удельным (т.е. при-

ходящимся на единицу магнитного поля) магнетокалорическим эффектом.

Величина удельного МКЭ для этого соединения в несколько раз больше, чем

в соединениях силицидов-германидов. Этот сплав не может быть использован

на практике из-за его большой стоимости, а также существенных гистерезис-

ных эффектов в нём, однако, он может служить своеобразным эталоном, с

которым следует сравнивать магнетокалорические свойства исследуемых ма-

териалов.

Наконец, в январе этого года журнал Science News (v. 161, п. 1, p.4, 2002)

сообщил о создании в США первого в мире бытового (т.е. применимого не

только в научных, но и в бытовых целях) холодильника. Работающая модель

такого холодильника была изготовлена совместно Astronautics Corporation of

America и Ames Laboratory и впервые продемонстрирована на конференции

Большой Восьмерки в Детройте в мае 2002 года. Рабочий прототип предлага-

емого бытового магнитного холодильника действует в области комнатных

температур и использует в качестве источника поля постоянный магнит. Гово-

ря об этом революционном достижении, профессор Карл Шнайднер из Лабо-

ратории Эймса отметил: "Мы являемся свидетелями исторического события в

развитии техники. В демонстрировавшихся ранее магнитных холодильных

устройствах использовались большие сверхпроводящие магниты, но в этом

новом магнитном холодильнике впервые применен постоянный магнит, не

требующий охлаждения".

Устройство получило высокую оценку экспертов и министра энергетики

США. Оценки показывают, что применение магнитных холодильников позво-

лит уменьшить общее потребление энергии в США на 5 %. Планируется, что

магнитное охлаждение сможет использоваться в самых различных областях

человеческой деятельности — в частности, в ожижителях водорода, охлажда-

ющих устройствах для высокоскоростных компьютеров и приборов на основе

СКВИДов, кондиционерах для жилых и производственных помещений, охлаж-

дающих системах для транспортных средств, в бытовых и промышленных

384

холодильниках и т.п. Необходимо отметить, что работы по магнитным холо-

дильным устройствам финансируются министерством энергетики США уже в

течение 20 лет.

Конструкция холодильника

В созданном прототипе магнитного холодильника используется вращаю-

щаяся колёсная конструкция. Она состоит из колеса, содержащего сегменты с

порошком гадолиния, а также мощного постоянного магнита.

Схема работы магнитного холодильника

Конструкция спроектирована таким образом, что колесо прокручивается

через рабочий зазор магнита, в котором сконцентрировано магнитное поле.

При вхождении сегмента с гадолинием в магнитное поле в гадолинии возни-

кает магнетокалорический эффект - - он нагревается. Это тепло отводится

теплообменником, охлаждаемым водой. Когда гадолиний выходит из зоны

магнитного поля, возникает магнетокалорический эффект противоположного

знака и материал дополнительно охлаждается, охлаждая теплообменник с

циркулирующим в нем вторым потоком воды. Этот поток собственно и исполь-

зуется для охлаждения холодильной камеры магнитного холодильника. Такое

устройство является компактным и работает фактически бесшумно и без виб-

раций, что выгодно отличает его от использующихся сегодня холодильников

с парогазовым циклом.

"Постоянный магнит и рабочее тело в виде гадолиния не требуют подвода

энергии, — говорит профессор Карл Шнайднер из Ames Laboratory. Энергия

необходима для вращения колеса и обеспечения работы водяных насосов".

Впервые эта технология была апробирована еще в сентябре 2001 года. В

настоящее время идет работа над дальнейшим расширением ее возможностей:

совершенствуется технологический процесс коммерческого производства чис-

того гадолиния и необходимых его соединений, который позволит добиться

385

большей величины МКЭ при меньших затратах. Одновременно сотрудники

Лаборатории Эймса сконструировали постоянный магнит, способный созда-

вать сильное магнитное поле. Новый магнит создаёт поле в два раза большее,

чем магнит в предшествующей конструкции магнитного холодильника (2001

г.), что является весьма важным, т.к. величина магнитного поля определяет

такие параметры холодильника, как эффективность и выходная мощность. На

процесс получения соединения для рабочего тела Gd5(Si2Ge2) и конструкцию

постоянного магнита поданы заявки на патент.

Преимущества, недостатки и области применения

Все магнитные холодильники можно разделить на два класса по типу

используемых магнитов: системы, использующие сверхпроводящие магниты

и системы на постоянных магнитах. Первые из них обладают широким диапа-

зоном рабочих температур и относительно высокой выходной мощностью.

Они могут использоваться, например, в системах кондиционирования боль-

ших помещений и в оборудовании хранилищ пищевых продуктов. Охлаждаю-

щие системы на постоянных магнитах имеют относительно ограниченный

температурный диапазон (не более, чем на 30 °С за один цикл) и, в принципе,

могут применяться в устройствах со средней мощностью (до 100 Ватт) — таких

как автомобильный холодильник и портативный рефрижератор для пикника.

Но и те, и другие обладают целым рядом преимуществ над традиционными

парогазовыми холодильными системами:

Низкая экологическая опасность: Рабочее тело — твердое и может быть

легко изолировано от окружающей среды. Применяемые в качестве рабочих

тел металлы лантаниды малотоксичны, и могут быть использованы повторно

после утилизации устройства. Теплоотводящая среда должна обладать всего

лишь низкой вязкостью и достаточной теплопроводностью, что хорошо соот-

ветствует свойствам воды, гелия или воздуха. Последние хорошо совместимы

с окружающей средой.

Высокая эффективность. Магнитокалорическое нагревание и охлаждение

- практически обратимые термодинамические процессы, в отличие от про-

цесса сжатия пара в рабочем цикле парогазового холодильника. Теоретические

расчеты и экспериментальные исследования показывают, что магнитные ох-

лаждающие установки характеризуются более высокими к.п.д. и экономичнос-

тью. В частности, в области комнатных температур магнитные холодильники

потенциально на 20-30 % эффективнее, чем работающие по парогазовому

циклу. Технология магнитного охлаждения в перспективе может быть очень

эффективной, что позволит значительно сократить стоимость таких установок.

Долгий срок эксплуатации. Технология предполагает использование

малого числа движущихся деталей и низких рабочих частот в охлаждающих

устройствах, что значительно сокращает их износ.

Гибкость технологии. Возможно использование различных конструкций

магнитных холодильников в зависимости от назначения.

386

Полезные свойства заморозки. Магнитная технология позволяет произво-

дить охлаждение и заморозку различных веществ (вода, воздух, химикаты) с

незначительными изменениями для каждого случая. В отличие от этого, эф-

фективный парогазовый цикл охлаждения требует многих отдельных ступеней

или смеси различных рабочих тел-охладителей для проведения такой же про-

цедуры.

Быстрый прогресс в развитии сверхпроводимости и улучшении магнит-

ных свойств постоянных магнитов. В настоящее время целый ряд известных

коммерческих компаний успешно занимаются улучшением свойств магнитов

NdFeB (наиболее эффективные постоянные магниты) и работают над их кон-

струкциями. Наряду с известным прогрессом в области сверхпроводимости это

позволяет надеяться на улучшение качества магнитных холодильников и одно-

временное их удешевление.

Недостатки магнитного охлаждения.

Необходимость экранировки магнитного источника.

Относительно высокая в настоящее время цена источников магнитного

поля.

Ограниченный интервал изменения температуры в одном цикле охлажде-

ния в системах на постоянных магнитах. (не более 30 °С).

Будет ли Россия самостоятельно развивать сверхперспективную тех-

нологию?

В нашей стране до настоящего времени проблема магнитного охлаждения

существует только на уровне научных лабораторий, хотя именно российские

ученые в начале 90-х годов выполнили первые работы по теории и практике

применения МКЭ для создания магнитных холодильных машин. В соавторстве

с сотрудниками компании "Перспективные магнитные технологии и консуль-

тации" и физического факультета МГУ уже многие годы работают создатели

рабочего прототипа магнитного холодильника, о котором шла речь выше. К

сожалению, в России такие разработки ведутся на недостаточном уровне из-за

отсутствия необходимых средств. Не вызывает сомнения, что при соответст-

вующей финансовой поддержке государственных или коммерческих структур

разработка технологии и производство магнитных холодильников в России

безусловно возможны. По нашему мнению необходимо в самое ближайшее

время привлечь к работам в данном направлении все заинтересованные сторо-

ны.

Источник: www.ndfeb.ru

6.7. Применение магнитов типа Nd-Fe-B в электровакуумном

приборостроении

Неослабевающий интерес разработчиков СВЧ-приборов к классу посто-

янных магнитов на основе интерметаллических соединений редкоземельных

металлов (РЗМ) с переходными металлами с момента появления таких магни-

387

тов в 1968 г. обусловлен возможностями значительной минимизации массо-га-

баритных характеристик пакетированных изделий вакуумной электроники.

Разработка и производство ламп бегущей волны, магнетронов и клистро-

нов (в том числе многолучевых) с магнитными фокусирующими системами

(МФС) на основе РЗМ-магнитов для использования в бортовых и мобильных

РЛС, на сегодняшний день — уже добрая традиция.

Последние годы в разных странах активно ведутся работы по замене

электромагнитов и теплых соленоидов магнитными системами на постоянных

магнитах для ламп обратной волны, гиротронов и гироклистронов.

Применяемые в магнитных фокусирующих системах постоянные РЗМ-

магниты можно условно разделить на два класса: самарий-кобальтовые (5т-

Со) и класса неодим-железо-бор (Nd-Fe-B).

В свою очередь самарий-кобальтовые магниты представлены типами

КС37 — на основе интерметаллида SmCo

, и КС25 — на основе многофазной

композиции (Sm,Zr){Co, Cu,Fe)z. При частичной замене части самария на тяже-

лые РЗМ, как правило, на гадолиний (Gd), эрбий (Еr) или их сочетание, легко

получить магниты с заранее заданными значениями обратимого температур-

ного коэффициента магнитной индукции (а). В частности, были разработаны

магниты типа КСЭГ с α близкими к нулю и даже положительными в опреде-

ленном температурном интервале, но с неизбежной, порой значительной, по-

терей значений основных гистерезисных характеристик.

Магниты неодим-железо-бор, применительно к данной теме, представим

тремя типами (в соответствии с маркировкой ООО "НПК "Магниты и магнит-

ные технологии", по МАЕР.680093.001 ТУ): MAEP36ML — базовый состав для

общетехнических применений, MAEP30HLs - - "термостойкий" состав для

использования в широком интервале температур и MAEP26HSs — "термоста-

бильная" композиция с пониженным коэффициентом а.

Сравнительные свойства представленных постоянных магнитов даны в

табл.1 и на рис.6.7.1, а,б. При повышенных гистерезисных характеристиках

магнитов Nd-Fe-B они проигрывают магнитам типа КС в термостойкости и

термостабильности. Тем не менее, магниты на основе сплавов неодим-железо-

бор все шире применяются даже в довольно "капризном" производстве ЭВП

благодаря их доступности, экономичности и технологичности.

Иллюстрацией применения неодимовых магнитов для электровакуумного

приборостроения могут служить разработанные магнитные фокусирующие

системы следующих классов серийных приборов.

Пример 1. Магнитная система лампы обратной волны

Разработанные в России и не имеющие зарубежных аналогов лампы об-

ратной волны (ЛОВ) являются монохроматическими СВЧ-генераторами мил-

лиметрового и субмиллиметрового диапазонов и обладают уникальной воз-

можностью перестройки рабочей частоты — ±30% номинала.

388

Табл. 1.

Свойства основных типов редкоземельных постоянных магнитов

Тип/Марка

КС37

КС25

MAEP36ML

MAEP30HLs

MAEP26HSs

Вr, Тл

0,88/0,92

1,04/1,08

1,24/1,28

1,10/1,14

1,04/1,08

Hcb,

кА/м

620/660

750/780

920/1010

860/900

820/860

Hcj , кА/м

>1400

>1600

>950

>2500

>1500

αb,%/°С

при 20-

200°С

-0,050

-0,030

-0,120

-0,060

Tтax, °C

250

350

ПО

220

160

Рис. 6.7.1,а. Размагничивающие участки полных петель гистерезиса основ-

ных типов редкоземельных постоянных магнитов при разных температурах

389

Рис. 6.7.1,6. Размагничивающие участки полных петель гистерезиса основ-

ных типов редкоземельных постоянных магнитов при разных температурах

Для реализации рабочих параметров ЛОВ должна располагаться в одно-

родном магнитном поле определенной напряженности, что достигалось с по-

мощью электромагнита. Однако, использование громоздкого электромагнита

с источником питания снижает автономность, значительно повышает стои-

мость и тем самым сужает область применения ЛОВ.

390