Magnetische Kühlung ist eine kühl werdende auf der magnetocaloric Wirkung gestützte Technologie. Diese Technik kann verwendet werden, um äußerst niedrige Temperaturen (ganz unter 1 K), sowie die Reihen zu erreichen, die in allgemeinen Kühlschränken abhängig vom Design des Systems verwendet sind.

Die Wirkung wurde zuerst vom deutschen Physiker Emil Warburg (1880) beobachtet, und der grundsätzliche Grundsatz wurde von Debye (1926) und Giauque (1927) angedeutet. Die ersten magnetischen Arbeitskühlschränke wurden von mehreren Gruppen gebaut, die 1933 beginnen. Magnetische Kühlung war die erste Methode, die entwickelt ist, um unter ungefähr 0.3 K kühl zu werden (eine Temperatur, die durch Ihn Kühlung erreichbar ist, die auf Ihm Dämpfe pumpt).

Die magnetocaloric Wirkung

Die magnetocaloric Wirkung (MCE, vom Magnet und der Kalorie) ist ein mit dem Magnetzünder thermodynamisches Phänomen, in dem eine umkehrbare Änderung in der Temperatur eines passenden Materials durch das Herausstellen des Materials zu einem sich ändernden magnetischen Feld verursacht wird. Das ist auch von niedrigen Temperaturphysikern als adiabatische Entmagnetisierung wegen der Anwendung des Prozesses spezifisch bekannt, um einen Temperaturfall zu schaffen. In diesem Teil des gesamten Kühlungsprozesses erlaubt eine Abnahme in der Kraft eines äußerlich angewandten magnetischen Feldes den magnetischen Gebieten eines gewählten (magnetocaloric) Materials, desorientiert vom magnetischen Feld durch die agitierende Handlung der Thermalenergie (phonons) Gegenwart im Material zu werden. Wenn das Material isoliert wird, so dass keiner Energie (re) erlaubt wird, wandern ins Material während dieser Zeit, d. h., ein adiabatischer Prozess, die Temperaturfälle ab, weil die Gebiete die Thermalenergie absorbieren, ihre Umorientierung durchzuführen. Der randomization der Gebiete kommt auf eine ähnliche Mode zum randomization bei der Curie-Temperatur eines eisenmagnetischen Materials vor, außer dass magnetische Dipole ein abnehmendes magnetisches Außenfeld überwinden, während Energie unveränderlich statt magnetischer Gebiete bleibt, die vom inneren Ferromagnetismus stören werden, weil Energie hinzugefügt wird.

Eines der bemerkenswertesten Beispiele der magnetocaloric Wirkung ist im chemischen Element-Gadolinium und etwas von seiner Legierung. Wie man beobachtet, nimmt die Temperatur des Gadoliniums zu, wenn sie in bestimmte magnetische Felder eingeht. Wenn es das magnetische Feld, die Temperaturfälle verlässt. Die Wirkung ist für die Gadolinium-Legierung Gd (SiGe) beträchtlich stärker. Praseodym, das mit Nickel (PrNi) beeinträchtigt ist, hat solch eine starke magnetocaloric Wirkung, der es Wissenschaftlern erlaubt hat, sich innerhalb von tausendstem von einem Grad der absoluten Null zu nähern.

Thermodynamischer Kreisprozess

Der Zyklus wird als ein Kühlungszyklus durchgeführt, der dem Zyklus von Carnot analog ist, und kann an einem Startpunkt beschrieben werden, wodurch die gewählte Arbeitssubstanz in ein magnetisches Feld eingeführt wird, d. h. die magnetische Flussdichte wird vergrößert. Das Arbeitsmaterial ist das Kühlmittel, und fängt im Thermalgleichgewicht mit der gekühlten Umgebung an.

• Adiabatische Magnetisierung: Eine magnetocaloric Substanz wird in eine isolierte Umgebung gelegt. Das zunehmende magnetische Außenfeld (+H) veranlasst die magnetischen Dipole der Atome, sich auszurichten, dadurch das magnetische Wärmegewicht des Materials und Hitzekapazität vermindernd. Da gesamte Energie (noch) nicht verloren wird und deshalb Gesamtwärmegewicht nicht reduziert wird (gemäß thermodynamischen Gesetzen), besteht das Nettoergebnis darin, dass der Artikel (T + ΔT) anheizt.
• Übertragung von Isomagnetic enthalpic: Diese zusätzliche Hitze kann dann (-Q) durch eine Flüssigkeit oder Benzin — gasartiges oder flüssiges Helium zum Beispiel entfernt werden. Das magnetische Feld wird festgehalten, um die Dipole davon abzuhalten, die Hitze wiederzuabsorbieren. Einmal genug abgekühlt werden die magnetocaloric Substanz und das Kühlmittel (H=0) getrennt.
• Adiabatische Entmagnetisierung: Die Substanz wird in eine andere adiabatische (isolierte) Bedingung zurückgegeben, so bleibt das Gesamtwärmegewicht unveränderlich. Jedoch dieses Mal wird das magnetische Feld vermindert, die Thermalenergie veranlasst die magnetischen Momente, das Feld zu überwinden, und so wird die Probe, d. h., eine adiabatische Temperaturänderung kühl. Energie (und Wärmegewicht) wechselt vom Thermalwärmegewicht bis magnetisches Wärmegewicht (Unordnung der magnetischen Dipole) über.
• Übertragung von Isomagnetic entropic: Das magnetische Feld wird festgehalten, um das Material davon abzuhalten, zurück anzuheizen. Das Material wird in den Thermokontakt mit der Umgebung gelegt, die wird kühlt. Weil das Arbeitsmaterial kühler ist als die gekühlte Umgebung (durch das Design), wandert Hitzeenergie ins Arbeitsmaterial (+Q) ab.

Einmal die kühlende und gekühlte Umgebung sind im Thermalgleichgewicht, der Zyklus beginnt wieder.

Angewandte Technik

Der grundlegende Betriebsgrundsatz eines adiabatischen Entmagnetisierungskühlschranks (ADR) ist der Gebrauch eines starken magnetischen Feldes, um das Wärmegewicht einer Probe des Materials, häufig genannt das "Kühlmittel" zu kontrollieren. Magnetisches Feld beschränkt die Orientierung von magnetischen Dipolen im Kühlmittel. Je stärker das magnetische Feld, desto mehr ausgerichtet die Dipole sind, und das zum niedrigeren Wärmegewicht und der Hitzekapazität entspricht, weil das Material einige seiner inneren Grade der Freiheit (effektiv) verloren hat. Wenn das Kühlmittel bei einer unveränderlichen Temperatur durch den Thermokontakt mit einem Hitzebecken behalten wird (gewöhnlich flüssiges Helium), während das magnetische Feld eingeschaltet wird, muss das Kühlmittel eine Energie verlieren, weil es equilibrated mit dem Hitzebecken ist. Wenn das magnetische Feld nachher, die Hitzekapazität der Kühlanstiege wieder ausgeschaltet wird, weil die Grade der mit der Orientierung der Dipole vereinigten Freiheit wieder befreit werden, ihren Anteil der equipartitioned Energie von der Bewegung der Moleküle ziehend, dadurch die gesamte Temperatur eines Systems mit der verminderten Energie senkend. Da das System jetzt isoliert wird, wenn das magnetische Feld ausgeschaltet wird, ist der Prozess adiabatisch, d. h. das System kann Energie mit seinen Umgebungen (das Hitzebecken) nicht mehr austauschen, und seine Temperatur nimmt unter seinem Anfangswert, diesem des Hitzebeckens ab.

Die Operation eines normalen ADR geht grob wie folgt weiter. Erstens wird ein starkes magnetisches Feld auf das Kühlmittel angewandt, seine verschiedenen magnetischen Dipole zwingend, sich auszurichten und diese Grade der Freiheit des Kühlmittels in einen Staat des gesenkten Wärmegewichtes stellend. Das Hitzebecken absorbiert dann die Hitze, die durch das Kühlmittel wegen seines Verlustes des Wärmegewichtes veröffentlicht ist. Der Thermokontakt mit dem Hitzebecken wird dann gebrochen, so dass das System isoliert wird, und das magnetische Feld ausgeschaltet wird, die Hitzekapazität des Kühlmittels vergrößernd, so seine Temperatur unter der Temperatur des Helium-Hitzebeckens vermindernd. In der Praxis wird das magnetische Feld langsam vermindert, um das dauernde Abkühlen zur Verfügung zu stellen und die Probe bei einer ungefähr unveränderlichen niedrigen Temperatur zu behalten. Sobald das Feld zur Null oder zu einem niedrigen durch die Eigenschaften des Kühlmittels bestimmten Begrenzungswert fällt, verschwindet die kühl werdende Macht des ADR, und Hitzeleckstellen werden das Kühlmittel veranlassen sich zu erwärmen.

Arbeitsmaterialien

Die magnetocaloric Wirkung ist ein inneres Eigentum eines magnetischen Festkörpers. Diese Thermalantwort eines Festkörpers zur Anwendung oder Eliminierung von magnetischen Feldern wird maximiert, wenn der Festkörper in der Nähe von seiner magnetischen Einrichtungstemperatur ist.

Die Umfänge des magnetischen Wärmegewichtes und der adiabatischen Temperaturänderungen sind nach dem magnetischen Ordnungsprozess stark abhängig: Der Umfang ist in Antiferromagneten, ferrimagnets und Drehungsglassystemen allgemein klein; es kann für normale Ferromagnete wesentlich sein, die eine zweite Ordnung magnetischer Übergang erleben; und es ist allgemein für einen Ferromagnet am größten, der eine erste Ordnung magnetischer Übergang erlebt.

Außerdem können kristallene elektrische Felder und Druck einen wesentlichen Einfluss auf das magnetische Wärmegewicht und die adiabatischen Temperaturänderungen haben.

Zurzeit kann die Legierung des Gadolinium-Produzierens pro tesla [K/T] der Änderung in einem magnetischen Feld für die magnetische Kühlung verwendet werden.

Die neue Forschung über Materialien, die eine riesige Wärmegewicht-Änderung ausstellen, hat gezeigt, dass Gd (SiGe), La (FeSi) H und Legierung von MnFePAs zum Beispiel einige der viel versprechendsten sind, wechselt das Gadolinium und seine Legierung — GdDy, GdTb usw. aus. Diese Materialien werden riesige magnetocaloric Wirkungsmaterialien (GMCE) genannt.

Gadolinium und seine Legierung sind das beste Material verfügbar heute für die magnetische Kühlung in der Nähe von der Raumtemperatur, da sie Phase-Übergänge der zweiten Ordnung erleben, die keine magnetische oder thermische beteiligte magnetische Trägheit haben.

Paramagnetische Salze

Das ursprünglich angedeutete Kühlmittel war ein paramagnetisches Salz wie Cerium-Magnesium-Nitrat. Die aktiven magnetischen Dipole sind in diesem Fall diejenigen der Elektronschalen der paramagnetischen Atome.

In einem paramagnetischen Salz ADR wird das Hitzebecken gewöhnlich durch einen gepumpten Er (ungefähr 1.2 K) oder Er (ungefähr 0.3 K) cryostat zur Verfügung gestellt. Ein leicht erreichbares 1 T magnetisches Feld ist allgemein für die anfängliche Magnetisierung erforderlich. Die minimale erreichbare Temperatur wird durch die Selbstmagnetisierungstendenzen des gewählten Kühlsalzes bestimmt, aber Temperaturen von 1 bis 100 mK sind zugänglich. Verdünnungskühlschränke hatten viele Jahre lang paramagnetisches Salz ADRs verdrängt, aber das Interesse am im Weltraum vorhandenen und einfachen, um Laboratorium-ADRs zu verwenden, ist wegen der Kompliziertheit und Unzuverlässigkeit des Verdünnungskühlschranks geblieben

Schließlich paramagnetische Salze werden entweder diamagnetic oder eisenmagnetisch, die niedrigste Temperatur beschränkend, die mit dieser Methode erreicht werden kann.

Kernentmagnetisierung

Eine Variante der adiabatischen Entmagnetisierung, die fortsetzt, wesentliche Forschungsanwendung zu finden, ist Kernentmagnetisierungskühlung (NDR). NDR folgt demselben Grundsatz, der oben beschrieben ist, aber in diesem Fall entsteht die kühl werdende Macht aus den magnetischen Dipolen der Kerne der Kühlatome, aber nicht ihren Elektronkonfigurationen. Da diese Dipole des viel kleineren Umfangs sind, sind sie für die Selbstanordnung weniger anfällig und haben niedrigere innere minimale Felder. Das erlaubt NDR, das Kerndrehungssystem zu sehr niedrigen Temperaturen, häufig 1 µK oder unten abzukühlen. Leider, die kleinen Umfänge von magnetischen Kerndipolen macht sie auch weniger aufgelegt, sich zu Außenfeldern auszurichten. Magnetische Felder von 3 teslas oder größer sind häufig für den anfänglichen Magnetisierungsschritt von NDR erforderlich.

In NDR Systemen muss das anfängliche Hitzebecken bei sehr niedrigen Temperaturen (10-100 mK) sitzen. Dieses Vorabkühlen wird häufig durch den sich vermischenden Raum eines Verdünnungskühlschranks oder eines paramagnetischen Salzes zur Verfügung gestellt.

Kommerzielle Entwicklung

Diese Kühlung, einmal bewiesen lebensfähig, konnte in jeder möglichen Anwendung verwendet werden, wo das Abkühlen, die Heizung oder Energieerzeugung heute verwendet werden. Da es nur in einer frühen Bühne der Entwicklung ist, gibt es mehrere technisch und Leistungsfähigkeitsprobleme, die analysiert werden sollten. Das magnetocaloric Kühlungssystem wird aus Pumpen, elektrischen Motoren, sekundären Flüssigkeiten, Hitzeex-Wechslern von verschiedenen Typen, Magneten und magnetischen Materialien zusammengesetzt. Diese Prozesse werden durch die Nichtumkehrbarkeit außerordentlich betroffen und sollten entsprechend betrachtet werden.

Geräte mit dieser Methode konnten eine kleinere Umweltauswirkung haben, wenn die Methode vervollkommnet wird und Hydrofluorkohlenwasserstoff (HFCs) Kühlschränke ersetzt (einige Kühlschränke verwenden noch HFCs, die beträchtliche Wirkung auf die Ozon-Schicht haben. Zurzeit, jedoch, haben die Superleiten-Magnete, die im Prozess verwendet werden, um selbst zur Temperatur des flüssigen Stickstoffs, oder mit noch kälterem und relativ teurem, flüssigem Helium abgekühlt zu werden. Das Betrachten dieser Flüssigkeiten hat Siedepunkte von 77.36 K und 4.22 K beziehungsweise, die Technologie wird klar - und energieeffizient für Hausgeräte, aber für den experimentellen, das Laboratorium und den Industriegebrauch nur nicht gekostet.

Die neue Forschung über Materialien, die eine große Wärmegewicht-Änderung ausstellen, hat gezeigt, dass Legierung etwas vom viel versprechendsten Ersatz des Gadoliniums und seiner Legierung — GdDy, GdTb ist, usw. sind Gadolinium und seine Legierung das beste Material verfügbar heute für die magnetische Kühlung in der Nähe von der Raumtemperatur. Es gibt noch einige thermische und magnetische Probleme der magnetischen Trägheit, für sie gelöst zu werden, um aufrichtig nützlich [V. Provenzano, A.J. Shapiro zu werden, und R.D. Shull, Natur 429, 853 (2004)] und Wissenschaftler arbeitet hart, um dieses Ziel zu erreichen. Thermalprobleme der magnetischen Trägheit werden deshalb im Hinzufügen ferrite (5:4) behoben.

Forschung und ein Demonstrationsbeweis des Konzepts 2001 haben geschafft, Handelssorte-Materialien und dauerhafte Magnete bei Raumtemperaturen anzuwenden, um einen magnetocaloric Kühlschrank zu bauen, der breiten Gebrauch verspricht.

Diese Technik ist viele Jahre lang in kälteerzeugenden Systemen verwendet worden, um weiter das Abkühlen in Systemen zu erzeugen, die bereits zu Temperaturen von 4 K und tiefer abgekühlt sind. In England, einer Gesellschaft genannt Cambridge erzeugt Magnetische Kühlung kälteerzeugende auf der magnetocaloric Wirkung gestützte Systeme.

Am 20. August 2007, das Risø Nationale Laboratorium (Dänemark) an der Technischen Universität Dänemarks, behauptet, einen Meilenstein in ihrer magnetischen kühl werdenden Forschung erreicht zu haben, als sie eine Temperaturspanne von 8.7 C gemeldet haben. Sie hoffen, die ersten kommerziellen Anwendungen der Technologie vor 2010 einzuführen.

Aktueller und zukünftiger Gebrauch

Es gibt noch einige thermische und magnetische Probleme der magnetischen Trägheit, für diese Phase-Übergang-Materialien der ersten Ordnung gelöst zu werden, die den GMCE ausstellen, um wirklich nützlich zu werden; das ist ein Thema der aktuellen Forschung. Eine nützliche Rezension auf magnetocaloric 2005 veröffentlichten Materialien wird "Neue Entwicklungen in magnetocaloric Materialien" von Dr Karl A. Gschneidner, und al betitelt.

Diese Wirkung wird zurzeit erforscht, um bessere Kühlungstechniken besonders für den Gebrauch im Raumfahrzeug zu erzeugen. Diese Technik wird bereits verwendet, um kälteerzeugende Temperaturen in der Laboreinstellung (unter 10K) zu erreichen. Als ein Gegenstand, der MCE zeigt, in ein magnetisches Feld bewegt wird, richten sich die magnetischen Drehungen aus, das Wärmegewicht senkend. Das Bewegen dieses Gegenstands aus dem Feld erlaubt dem Gegenstand, sein Wärmegewicht durch das Aufsaugen der Hitze von der Umgebung und disordering die Drehungen zu vergrößern. Auf diese Weise kann Hitze von einem Gebiet bis einen anderen genommen werden. Wenn, wie man findet, Materialien diese Wirkung in der Nähe von der Raumtemperatur zeigen, kann die Kühlung ohne das Bedürfnis nach der Kompression möglich sein, Energieeffizienz vergrößernd.

Der Gebrauch dieser Technologie für Innenkühlschränke, obwohl wegen der hohen Leistungsfähigkeit von aktuellen Kühlungszyklen der Dampf-Kompression sehr entfernt ist, die normalerweise Leistungskoeffizienten von 60 % von diesem eines theoretischen idealen Zyklus von Carnot erreichen.

Diese Technologie konnte sich schließlich mit anderen kälteerzeugenden Wärmepumpen zu Gasverflüssigungszwecken bewerben.

Gschneidner hat 1999 dass festgestellt: "Groß angelegte Anwendungen mit der magnetischen Kühlung, wie kommerzielle Klimatisierung und Supermarkt-Kühlungssysteme, konnten innerhalb von 5-10 Jahren verfügbar sein. Innerhalb von 10-15 Jahren konnte die Technologie in Hauskühlschränken und Klimaanlagen verfügbar sein."

Geschichte

Die Wirkung wurde in reinem Eisen 1880 vom deutschen Physiker Emil Warburg entdeckt. Ursprünglich hat sich die kühl werdende Wirkung zwischen 0.5 zu 2 K/T geändert.

Hauptfortschritte sind zuerst gegen Ende der 1920er Jahre erschienen, als das Abkühlen über die adiabatische Entmagnetisierung von zwei Wissenschaftlern, Peter Debye 1926 und William Giauque 1927 unabhängig vorgeschlagen wurde.

Diese kühl werdende Technologie wurde zuerst experimentell vom Hofdichter des Chemikers Nobel William F. Giauque und seinem Kollegen D. P. MacDougall 1933 zu kälteerzeugenden Zwecken demonstriert, als sie 0.25 K erreicht haben. Zwischen 1933 und 1997 sind mehrere Fortschritte in der Anwendung des MCE, um kühl zu werden, vorgekommen.

1997 wurde der erste nahe Raumtemperaturbeweis des Konzepts magnetischer Kühlschrank von Karl A. Gschneidner dem Jüngeren demonstriert. durch die Iowa Staatliche Universität am Laboratorium von Ames. Dieses Ereignis hat Interesse von Wissenschaftlern und Gesellschaften weltweit angezogen, die angefangen haben, neue Arten von Raumtemperaturmaterialien und magnetischen Kühlschrank-Designs zu entwickeln.

Ein Hauptdurchbruch ist 2002 gekommen, als eine Gruppe an der Universität Amsterdams den Riesen magnetocaloric Wirkung in MnFe (P, Als) Legierung demonstriert hat, die auf reichlichen Erdmaterialien basiert.

Auf der magnetocaloric Wirkung gestützte Kühlschränke sind in Laboratorien mit magnetischen Feldern demonstriert worden, die an 0.6 T bis zu 10 T anfangen. Magnetische Felder über 2 T sind schwierig, mit dauerhaften Magneten zu erzeugen, und werden durch einen Superleiten-Magnet erzeugt (1 T ist ungefähr 20,000mal das magnetische Feld der Erde).

Raumtemperaturgeräte

Etwas neue Forschung hat sich auf den Gebrauch des Prozesses konzentriert, um Kühlung in der Nähe von der "Raumtemperatur" durchzuführen. Gebaute Beispiele der Raumtemperatur magnetische Kühlschränke werden im Tisch unten verzeichnet:

In einem Beispiel, Prof. Karl A. Gschneidner der Jüngere. entschleiert ein Beweis des Konzepts magnetischer Kühlschrank in der Nähe von der Raumtemperatur am 20. Februar 1997. Er hat auch die Entdeckung des Riesen MCE (GMCE) in GdSiGe am 9. Juni 1997 (sieh unten) bekannt gegeben. Seitdem sind Hunderte von von Experten begutachteten Artikeln geschrieben worden, Materialien beschreibend, die magnetocaloric Effekten ausstellen.

Siehe auch

• Wirkung von Electrocaloric
• Kühlung von Thermoacoustic
• Verdünnungskühlschrank

Weiterführende Literatur

• Lounasmaa, Experimentelle Grundsätze und Methoden Unter 1 K, Akademische Presse (1974).
• Richardson und Smith, experimentelle Techniken in der kondensierten Sache-Physik bei niedrigen Temperaturen, Addison Wesley (1988).
• Lucia, U. Allgemeine Annäherung, um den magnetischen refrigeretion idealen Koeffizienten des Leistungs-POLIZISTEN, Physica A zu erhalten: Statistische Mechanik und seine Anwendungen, 387/14 (2008) 3477-3479, doi: 10.1016/j.physa.2008.02.026; sieh auch http://arxiv.org/abs/1011.1684

Links

• NASA - Wie Arbeitet ein Adiabatischer Entmagnetisierungskühlschrank?
• Was ist magnetocaloric Wirkung, und welche Materialien stellen diese Wirkung am meisten aus?
• Materialien von Magnetocaloric halten Kühlschränke kühl durch C. Wu
• Laborpressemitteilung von Ames, am 25. Mai 1999, beginnt Arbeit auf der Prototyp-Einheit der magnetischen Kühlung.
• Magnetischer Kühlschrank hat erfolgreich geprüft
• Kühlungssystemzeichen von Terry Heppenstall, Universität Newcastles auf Tyne (November 2000)
• XRS adiabatischer Entmagnetisierungskühlschrank
• Exekutivzusammenfassung: Ein Dauernder Adiabatischer Entmagnetisierungskühlschrank (.doc Format) (geheimes Lager von Google)
• Ursprung und Einstimmung der magnetocaloric Wirkung im magnetischen Kühlmittel Mn1.1Fe0.9 (P0.8Ge0.2)
• Magnetische Technologie revolutioniert Kühlung
• Einschätzung von thermodynamischen Mengen in der magnetischen Kühlung