Manyetik soğutma

Manyetik soğutma, manyetokalorik etkiye dayalı bir soğutma teknolojisidir. Bu teknik, son derece düşük sıcaklıkların yanı sıra yaygın buzdolaplarında kullanılan sıcaklık aralıklarını elde etmek için kullanılabilir.

Etki ilk olarak 1881'de Alman fizikçi Emil Warburg, ardından Fransız fizikçi P. Weiss ve İsviçreli fizikçi A. Piccard tarafından 1917'de izlendi. Temel ilke P. Debye (1926) ve W. Giauque tarafından (1927)'de öne sürüldü.

İlk çalışan manyetik buzdolapları, 1933'ten başlayarak birkaç grup tarafından yapıldı. Manyetik soğutma, yaklaşık 0.3 K'nin altında soğutma için geliştirilen ilk yöntemdi ( buharlarını pompalayarak ulaşılabilen bir sıcaklık).

 Manyetik soğutucular 
 Manyetokalorik Etki 
Artan veya azalan bir manyetik alan altında bulunan, manyetik malzemenin entropisindeki değişimden kaynaklanan adyabatik sıcaklık değişimine Manyetokalorik etki (MKE) denir. MKE ilk defa E. Warburg tarafından 1881 yılında demir üzerinde gözlenmiştir. Ancak MKE'nin doğası ve kullanım alanları, birbirinden bağımsız bir halde Peter Debye ve William Giauque tarafından 1920'lerin ortasında bulundu. Manyetik Soğutucu kavramı ise yine Giauque ve MacDougall tarafından 1930'ların başında ortaya atıldı. MKE'nin kullanım alanları ortaya çıktıkça ve manyetik soğutuculara ilgiarttıkça, kullanılan paramanyetik tuzlar yerine, MKE'nin daha çok gözlemleneceği malzemeler araştırılmaya başlandı.

1990'ların sonunda Gd ve Dy metallerinin ve alaşımlarının termomanyetik özelliklerinden dolayı manyetik rejeneratörlerde malzeme olarak kullanılabilecek en iyi elementler olduğu bulundu.

 Sistemin Üstünlükleri 
Sistemin en önemli üstünlüklerinden biri, soğutucu sıvının aynı zamanda sistemin rejeneratörü olmasıdır. Bu sayede sistem verimi artmaktadır. Ayrıca soğuk hava rezervi olarak oda sıcaklığının kullanılması da büyük bir enerji tasarrufu sağlamaktadır. Sistemin devamlılığını sağlayan sıvı olarak %80 su ve %20 etil kullanılabilmesi kullanılan malzemelerin bulunabilirliğini artırmaktadır.

 Sistem Verimliliği 
de şematik olarak resmedilmiş olan makine düşük frekanslarda çalışmakta ve 600W soğutma gücü üretmektedir. Verimliliği ise 5T'lık manyetik alanda %60'a varmaktadır (Pecharsky, 1999). 1.5T'lık alan altında ise verimlilik %30 civarlarındadır (Pecharsky, 1999). Sırasıyla, 5 ve 1.5T'lık manyetik alanlar için performans katsayıları, 15 ve 3'tür. Bu nedenle manyetik soğutucuların, gelecekte şu an genel kullanımda olan gazın sıkıştırılması ve genleşmesi prensibiyle çalışan soğutucuların yerlerini alacaklarına kesin gözüyle bakılmaktadır.

 Sistemin İşleyişi 
 Aktif Manyetik Rejeneratör Döngüsü 

 1- Manyetik alan, B(B≠0) değerinden 0 değerine düşürülerek, manyetokalorik malzemenin bulunduğu yatak adyabatik olarak demanyetize edilir.
 2- Sıvı, pompa yardımıyla sıcak hava rezervinden soğuk hava rezervine yatak üzerinden geçirilir. Yatağa girerken sıvının sıcaklığı Tf'dir. Tf ise sıcak hava rezervinin sıcaklığına eşittir (Tf = TH). 
 3-Sıvı yatağa girdikten sonra, yatakla ısı alışverişi olur ve sıvının sıcaklığı Tf, C ‘ye düşer. Bu sıcaklık soğuk hava rezervininkinden bir hayli düşüktür (Tf, C< TC).
 4-Sıcak hava rezervine giren sıvı, QC kadar bir ısı alır ve QC soğutucunun soğutma gücünü temsil eder.
Qc=mfCf dTf, C (dTf, C=TC-Tf, C)
 5- Manyetik alan 0 değerinden B değerine yükseltilir ve yatak adyabatik olarak manyetize edilir. 
 6- Sıvı soğuk hava rezervinden sıcak hava rezervine doğru pompa yardımıyla iletilir. Soğuk hava rezervinden ayrılırken sıvının sıcaklığı TC'dir. Manyetokalorik etkiyle sıcaklığı yükselmiş olan yatağa giren sıvının sıcaklığı Tf, H'ye yükselir ve sıvının sıcaklığı, sıcak hava rezervininkinden (TH) yüksek bir değere ulaşır.
çalışma prensibi (Pecharsky, 1999)

 7- Sıcak hava rezervine giren sıvı, rezerve ısı bırakır ve döngü baştan başlar.

 Çalışmalar 
 Yurtdışındaki Araştırmalar 
Manyetik Soğutucular üzerine yurtdışında,¨gerek üniversitelerde gerekse özel sektörde yüzlerce araştırma grubu çalışmaktadır. MS için en çok bütçe ayıran ülkeler 

arasında ABD ve Japonya gelmektedir. Özellikle ABD, NASA aracılığı ile MS konusunda öncü araştırmalar yapmakta ve DOE'nin destekleriyle bu teknolojiyi evlere kadar getirmeye çalışmaktadır. Bütün dünya çapında MS konusuna ilgi gittikçe artmakta ve bu teknolojinin önemi gün geçtikçe anlaşılmaktadır. Gerek doğal dengeye daha az zarar vermesi, gerekse yüksek verimle çalışan sistemiyle MS, bütün dünya ülkeleri açısından zaman geçtikçe daha çok araştırma bütçesi ayrılan bir konu olmuştur.
 Türkiye'deki Araştırmalar 
Türkiye'de de MS konusunda son birkaç yıldır çalışmalar başlamış ve sayıları şu an için çok olmasa da araştırma grupları kurulmaya başlanmıştır. Türkiye'de büyük sanayi merkezleri bulunmaktadır ve eğer MS teknolojisi öncelikli olarak sanayide kullanılmaya başlanırsa, yüksek bir enerji tasarrufu ve daha temiz bir çevre elde edilebilir. Bu nedenlerden dolayı Türkiye'de MS konusunda yapılan çalışmalara destek verilmesi ve yeni çalışmalar başlatılması gerekmektedir.
 Manyetik Soğutucuların Geleceği 
Şu an kullandığımız soğutucuların aksine teknolojik gelişimi daha bitmemiş olan manyetik soğutucular, üzerinde çalışmalar yapıldıkça daha verimli bir hale getirilebilecektir. Daha çok bütçe ayrıldıkça malzeme araştırmaları yapan grupların, daha verimli malzemeler bulacağına kesin gözüyle bakılmaktadır. Ayrıca hidrojen gelecekte bir yakıt olarak yerini almakta ve MS ise hidrojen yakıtı üretmekte kullanılabilmektedir. Uygulandığı takdirde, yüksek enerji verimliliği ve düşük çevre kirliliği sağlayacağından dolayı MS, üzerinde araştırma yapılması gereken bir konudur.

+Room temperature magnetic refrigerators Institute/Company  Location  Announcement date  Type  Max. cooling power (W)[1] Max ΔT (K)[2]  Magnetic field (T)  Solid refrigerant  Quantity (kg) Ames Laboratory/AstronauticsZimm C, Jastrab A., Sternberg A., Pecharsky V.K., Gschneidner K.A. Jr., Osborne M. and Anderson I., Adv. Cryog. Eng. 43, 1759 (1998). Ames, Iowa/Madison, Wisconsin, USA  February 20, 1997  Reciprocating  600  10  5 (S) Gd spheres Mater. Science Institute BarcelonaBohigas X., Molins E., Roig A., Tejada J. and Zhang X.X., IEEE Trans. Magn. 36 538 (2000). Barcelona, Spain  May 2000  Rotary ? 5  0.95 (P)  Gd foil Chubu Electric/ToshibaHirano N., Nagaya S., Takahashi M., Kuriyama T., Ito K. and Nomura S. 2002 Adv. Cryog. Eng. 47 1027 Yokohama, Japan  Summer 2000  Reciprocating  100  21  4 (S) Gd spheres University of VictoriaRowe A.M. and Barclay J.A., Adv. Cryog. Eng. 47 995 (2002).Rowe A.M. and Barclay J.A., Adv. Cryog. Eng. 47 1003 (2002).Richard M.A., Rowe A.M. and Chahine R., J. Appl. Phys. 95 2146 (2004). Victoria, British Columbia Canada  July 2001  Reciprocating  2  14  2 (S)  Gd & Gd1−xTbx L.B. AstronauticsZimm C, Paper No K7.003 Am. Phys. Soc. Meeting, March 4, Austin, Texas (2003)   Madison, Wisconsin, USA  September 18, 2001  Rotary  95  25  1.5 (P)  Gd spheres Sichuan Inst. Tech./Nanjing UniversityWu W., Paper No. K7.004 Am. Phys. Soc. Meeting, March 4, Austin, Texas (2003)   Nanjing, China  23 April 2002  Reciprocating  ?  23 1.4 (P) Gd spheres and Gd5Si1.985Ge1.985Ga0.03 powder Chubu Electric/ToshibaHirano N., Paper No. K7.002 Am. Phys. Soc. Meeting March 4, Austin, Texas,   Yokohama, Japan  October 5, 2002  Reciprocating  40  27  0.6 (P)  Gd1−xDyx L.B. Chubu Electric/Toshiba Yokohama, Japan  March 4, 2003  Rotary 60 10 0.76 (P)  Gd 1−xDyx L.B.  1 Lab. d'Electrotechnique GrenobleClot P., Viallet D., Allab F., Kedous-LeBouc A., Fournier J.M. and Yonnet J.P., IEEE Trans. Magn. 30 3349 (2003). Grenoble, France  April 2003  Reciprocating  8.8 4  0.8 (P)  Gd foil George Washington University USA  July 2004  Reciprocating  ? ?  ? (P)  Gd foil AstronauticsZimm C, Paper No. K7.003 Am. Phys. Soc. Meeting, March 4, Austin, Texas (2003)   Madison, Wisconsin, USA  2004  Rotary  95  25  1.5 (P)  Gd and GdEr spheres / La(Fe0.88Si0.12)13H1.0 University of VictoriaRowe A.M. and Tura A., International Journal of Refrigeration 29 1286-1293 (2006). Victoria, British Columbia Canada  2006  Reciprocating  15  50  2 (S)  Gd, Gd0.74Tb0.26 and Gd0.85Er0.15 pucks  0.12 1maximum cooling power at zero temperature difference (ΔT=0); 2maximum temperature span at zero cooling capacity (W=0); L.B. = layered bed; P = permanent magnet; S = superconducting magnet

In one example, Prof. Karl A. Gschneidner, Jr. unveiled a proof of concept magnetic refrigerator near room temperature in February 20, 1997. He also announced the discovery of the giant MCE (GMCE) in  on June 9, 1997  (see below). Since then, hundreds of peer-reviewed articles have been written describing materials exhibiting magnetocaloric effects. -->

 Kaynakça 
 Lounasmaa, Experimental Principles and Methods Below 1 K, Academic Press (1974).
 Richardson and Smith, Experimental Techniques in Condensed Matter Physics at Low Temperatures, Addison Wesley (1988).

 Notlar 

 22. E. Yüzüak, Journal Of Alloys Compounds, 476 (2009)929

 Ayrıca bakınız 
 Thermoacoustic refrigeration
 Dilution refrigerator

 Dış bağlantılar 
 NASA - How does an Adiabatic Demagnetization Refrigerator Work ? 
 What is magnetocaloric effect and what materials exhibit this effect the most? 
 Magnetocaloric materials keep fridges cool by C. Wu 
 Ames Laboratory news release, May 25, 1999, Work begins on prototype magnetic-refrigeration unit.
 Magnetic refrigerator successfully tested 

 Refrigeration Systems Terry Heppenstall's notes, University of Newcastle Upon Tyne (November 2000)
 XRS Adiabatic Demagnetization Refrigerator
 Executive Summary(.doc format) A Continuous Adiabatic Demagnetization Refrigerator ()

 Origin and tuning of the magnetocaloric effect in the magnetic refrigerant Mn1.1Fe0.9(P0.8Ge0.2)

Kategori:Soğutma teknolojisi
Kategori:İstatistiksel mekanik
Kategori:Yoğun madde fiziği
Soğutma