РАБОЧЕЕ ТЕЛО МАГНИТНОЙ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ ИЗ АНИЗОТРОПНОГО МАГНЕТИКА
WORKING BODY OF MAGNETIC THERMAL MACHINE FROM ANISOTROPIC MAGNETIC MATERIAL

Изобретение относится к области применения магнитокалорического эффекта в режиме перекачивания тепла с использованием магнитных характеристик рабочего тела магнитной тепловой машины и может быть использовано для получения тепла и холода.
Известно изобретение, в котором магнитокалорический эффект применяется при конструировании магнитной тепловой машины (Патент США №4969028, кл. 62-3, 1978, аналог).
В качестве рабочего тела магнитной тепловой машины используется поликристаллический гадолиний и его интерметаллические соединения.
Особенности известного изобретения:
- в качестве рабочего тела используется изотропный ферромагнетик;
- величина магнитокалорического эффекта недостаточна для эффективного охлаждения, так как наклон изоэнтропы (Т/Н) мал и, следовательно, низка эффективность охлаждения.
Наиболее близким к заявляемому является изобретение, в котором в качестве рабочего тела магнитной тепловой машины используется сплав тербий-гадолиний (Авт. свид. СССР №1021889, кл. F25В 21/00, Бюл. №21, 1983, прототип).
Особенности известного изобретения:
- в качестве рабочего тела используется интерметаллический монокристалл тербий-гадолиний, характеризующийся магнитной анизотропией;
- использование монокристаллов тербий-гадолиний является проблематичным в связи с технологическими трудностями их производства и высокой стоимостью получения монокристаллов, имеющих размер, достаточный для их применения в качестве рабочего тела магнитной тепловой машины;
- монокристаллы тербий-гадолиний обладают недостаточно высоким магнитокалорическим эффектом при их использовании в качестве рабочего тела в перспективных магнитных тепловых машинах, принцип действия которых основан на вращении монокристалла в магнитном поле.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности работы магнитной тепловой машины и снижении стоимости ее рабочего тела.
Технический результат достигается тем, что в качестве рабочего тела магнитной тепловой машины применяется магнитный материал со спин-переориетационными переходами в области рабочих температур магнитной тепловой машины.
Изобретение поясняется графическими материалами (Фиг.1÷4).
Фиг.1. Схема магнитного рефрижератора.
0,39
0,61
Фиг.2. Угловая зависимость магнитокалорического эффекта монокристалла TbGd (УФН, т.158, вып.4, с.553-579 (1989)).
5
Фиг.3. Зависимость магнитокалорического эффекта от направления приложенного магнитного поля 1,3 Т в плоскости (b,с) в монокристалле NdCo.
Фиг.4. Зависимость магнитокалорического эффекта от направления приложенного магнитного поля 1,85 Т в плоскости (b,с) в порошковом текстурованном магните Nd-Fe-B с наведенной магнитной анизотропией.
Магнитокалорическим эффектом называется адиабатическое изменение температуры магнетика в результате воздействия на него внешнего магнитного поля. Впервые научное обоснование явлению магнитокалорического эффекта дали Вейс и Пикард в 1918 году. Спустя всего 6 лет с момента его открытия в 1924 г. Джиок предложил метод получения температур ниже 1 К, который основывался на адиабатическом размагничивании, т.е. магнитокалорическом эффекте. В 1933 г., используя сульфат гадолиния, Джиок и Макдугол достигли температуры, равной 0,25 К.
В основе технологии магнитного охлаждения лежит явление магнитокалорического эффекта. Цикл магнитного охлаждения реализуется следующим образом. В результате воздействия внешнего магнитного поля на магнитный материал происходит упорядочение магнитных моментов, что в свою очередь приводит к изменению магнитной части энтропии. При этом магнитный материал нагревается. Для удаления теплоты, выделяемой при намагничивании магнетика магнитным полем, совершается теплообмен с окружающей средой. Далее магнитное поле выключается магнетик размагничивается и охлаждается. Тем самым реализуется цикл магнитного охлаждения.
До середины 70 годов прошлого века магнитное охлаждение применялось только для получения сверхнизких температур. В 1976 году Браун предложил использовать магнитное охлаждение в области комнатных температур. В качестве магнитной тепловой машины выступал пористый цилиндр из гадолиния, который совершал возвратно-поступательные движения в область магнитного поля, создаваемого сверхпроводящим соленоидом.
В большинстве магнитных тепловых машин используются материалы, дающие высокие значения магнитокалорического эффекта в области парапроцесса (парапроцесс - увеличение абсолютной величины магнитного момента тела благодаря ориентирующему действию сильного магнитного поля на магнитные моменты отдельных микрочастиц, разориетированных тепловым движением).
Принцип работы таких магнитных тепловых машин основывается на постоянном изменении величины внешнего магнитного поля, которое приводит к изменению температуры хладагента. Изменение величины внешнего магнитного поля может реализовываться несколькими способами: периодическим включением-выключением магнитного поля, периодическим введением рабочего тела в магнитное поле и удалением из него. В 1983 г. был предложен принципиально новый способ изменения температуры рабочего тела магнитной тепловой машины (Авт. свид. СССР №1021889, кл. F25В 21/00 - прототип - и авт. свид. СССР №1021890, кл. F25D 21/00), основанный на использовании в качестве рабочего тела анизотропного магнетика (Фиг.1, 2). Работа такой тепловой машины заключается в следующем. При вращении в магнитном поле рабочего тела, выполненного в виде монокристалла, например при вращении монокристалла от оси трудного намагничивания (ОТН) к оси легкого намагничивания (ОЛН), рабочее тело намагничивается и, в результате, нагревается. Далее при повороте от ОЛН к ОТН происходит частичное либо полное размагничивание рабочего тела, и оно охлаждается. Тем самым реализуется цикл магнитного нагревания-охлаждения. Использование этого способа не требует затрат энергии на создание периодических магнитных полей, а также затрат, связанных с введением рабочего тела в область магнитного поля либо выведением рабочего тела из магнитного поля.
Однако для создания таких машин необходим магнитный материал, обладающий достаточно высокими значениями величины анизотропии магнитокалорического эффекта. Кроме того, такой материал должен обладать приемлемой стоимостью, чтобы его применение было выгодно с экономической точки зрения. В качестве такого рабочего тела в прототипе (Авт. свид. СССР №1021889, кл. F25В 21/00) было предложено использовать анизотропные ферромагнитные монокристаллы соединения Tb-Gd, которые обладают высокими значениями анизотропии магнитокалорического эффекта (анизотропия магнитокалорического эффекта соответствует изменению температуры рабочего тела при его вращении в магнитном поле). Максимальное значение анизотропии магнитокалорического эффекта для рабочего тела Tb-Gd составляет 0,2 К в поле 0,82 Т (Фиг.2), или 0,24 К/Т. Для эффективной работы магнитной тепловой машины это недостаточно высокий показатель.
Использование монокристаллов Tb-Gd является труднореализуемым в связи с технологическими трудностями и высокой стоимостью производства монокристаллов размера, достаточного для создания тепловых машин.
В заявляемом изобретении в качестве рабочего тела магнитной тепловой машины используются анизотропные магнетики, обладающие спин-переориентационными переходами в области рабочих температур магнитной тепловой машины. Кроме того, рабочее тело может быть выполнено не только из монокристалла, но также из магнитного материала, обладающего магнитной текстурой. При изготовлении рабочего тела с магнитной текстурой из поликристаллического материала его стоимость резко снижается.
5
5
Нами установлено, что в монокристаллах интерметаллических соединений RCo, где R - Nd, Pr, Tb, Dy, Но, обладающих спин-переориентационными переходами, в области температуры спин-переориентационных переходов наблюдаются гигантские значения величины анизотропии магнитокалорического эффекта (анизотропия соответствует изменению температуры рабочего тела при его вращении в магнитном поле). Как видно из графика (Фиг.3), максимальная величина анизотропии магнитокалорического эффекта в области спин-переориентационных переходов для соединений NdCo составляет 1,6 К в магнитном поле 1,3 Т (или 1,23 К/Т), что превышает значение анизотропии магнитокалорического эффекта для сплава Tb-Gd (прототип) в 6 раз.
Таким образом, применение соединений со спин-переориентационными переходами позволит повысить градиент изменения температуры магнитной тепловой машины, тем самым увеличит ее эффективность.
В качестве рабочего тела в прототипе (Авт. свид. СССР №1021889) предлагается использовать монокристаллы интерметаллических соединений редкоземельных элементов. Известно, что производство монокристаллов интерметаллических соединений, имеющих размеры, достаточные для создания магнитных тепловых машин, представляет большие проблемы как в технологическом, так и в экономическом плане. Поэтому в заявляемом изобретении в качестве рабочего тела используются также поликристаллические материалы с наведенной магнитной анизотропией за счет магнитной текстуры, такие как, например, порошковые магнитные материалы, магнитные пленки и прочие материалы, обладающие магнитной анизотропией. Такие материалы также характеризуются анизотропией магнитокалорического эффекта. На Фиг.4 показано изменение угловой зависимости магнитокалорического эффекта порошкового магнита Nd-Fe-B. Из графика видно, что порошковый магнит, имеющий магнитную текстуру, также обладает анизотропией магнитокалорического эффекта (анизотропии магнитокалорического эффекта соответствует изменение температуры рабочего тела при вращении его в магнитном поле).
Исследованием свойств совокупности признаков известного рабочего тела магнитной тепловой машины и заявляемого установлено, что:
- известное рабочее тело магнитной тепловой машины выполнено из анизотропного магнетика, представляющего собой интерметаллическое соединение редкоземельных элементов Tb-Gd, а заявляемое выполнено из анизотропного магнитного материала со спин-переориетационными переходами в области рабочих температур магнитной тепловой машины, в частности интерметаллического соединения редкоземельных и переходных элементов;
- известное рабочее тело магнитной тепловой машины представляет собой монокристалл, а заявляемое может быть как моно -, так и поликристаллическим, с магнитной текстурой;
- максимальная величина анизотропии магнитокалорического эффекта для заявляемого рабочего тела магнитной тепловой машины в 6 раз выше, чем для известного рабочего тела;
- в отличие от известного изобретения, использующего рабочее тело магнитной тепловой машины, производство которого является дорогостоящим, заявляемый способ предполагает применение в качестве рабочего тела магнитных материалов существенно более низкой стоимости.
Заявляемое рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика может быть использовано как преобразователь тепла в широком смысле этого слова: оно может быть применено в холодильных установках: отвод тепла - и как тепловой насос.