Toepassing van NdFeB-magneten in magnetische koeltechnologie en huidige technische knelpunten
Toepassing van NdFeB-magneten in magnetische koeltechnologie
Opwekking van sterke magnetische velden
NdFeB-magneten bezitten een zeer hoog magnetisch energieproduct, waardoor ze sterke magneetvelden kunnen genereren. In magnetische koelsystemen is een sterk en stabiel magnetisch veld essentieel om een significant magnetocalorisch effect in de magnetocalorische materialen te induceren. Zo zijn bijvoorbeeld permanente magneten van het type NdFeB gebruikt om in de luchtspleet een maximaal magneetveld van 0,9 T te genereren bij een maximale spantemperatuur van 11 K. Dit sterke magnetische veld kan een aanzienlijke temperatuurverandering in het magnetocalorische materiaal veroorzaken, waardoor efficiënte warmteoverdracht en koeling mogelijk worden.
Compact ontwerp en hoge vermogensdichtheid
De hoge magnetische sterkte van NdFeB-magneten maakt het mogelijk om compacte magnetische koelsystemen te ontwerpen. Vergeleken met andere typen magneten kunnen NdFeB-magneten hetzelfde magnetische veld produceren met een kleiner volume en gewicht. Dit is vooral een voordeel bij magnetische koelkasten die op kamertemperatuur werken, waar de ruimte vaak beperkt is. Een compact ontwerp leidt bovendien tot een hogere vermogensdichtheid. Dit betekent dat er meer koelcapaciteit binnen een gegeven volume kan worden gerealiseerd, waardoor de technologie praktischer is voor toepassingen in de praktijk.
Recycling en duurzaamheid
Er is steeds meer belangstelling voor het gebruik van gerecyclede NdFeB-magneten in magnetische koelsystemen. Door NdFeB-magneten te recyclen, wordt niet alleen de impact op het milieu van de winning en verwerking van zeldzame aardmetalen verminderd, maar worden ook de kosten van de magnetische koeltechnologie verlaagd. Er is een magnetisch koelapparaat gebouwd met behulp van gerecyclede NdFeB-magneten en de “gratis zeldzame aarde” magnetocalorisch materiaal La - Fe - Si, waarmee de haalbaarheid van groene magnetische koeling wordt aangetoond. Door de magneten en hun geometrie te optimaliseren, is het mogelijk om de ecologische voetafdruk van magnetische koelsystemen verder te verkleinen.
Huidige technische knelpunten
Magnetische veldsterkte en uniformiteit
Hoewel NdFeB-magneten sterke magneetvelden kunnen genereren, blijft het een uitdaging om een zeer uniform magneetveld over een groot werkvolume te bereiken. In magnetische koelsystemen is een uniform magnetisch veld van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat alle delen van het magnetocalorische materiaal dezelfde verandering in het magnetische veld ondergaan, wat noodzakelijk is voor efficiënte en consistente koeling. Niet-uniforme magnetische velden kunnen leiden tot lokale variaties in het magnetocalorisch effect, waardoor de algehele koelefficiëntie van het systeem afneemt. Om dit probleem aan te pakken, onderzoeken onderzoekers geavanceerde magneetontwerpen, zoals Halbach-arrays, die de uniformiteit van het magnetische veld in specifieke regio's kunnen verbeteren.
Temperatuurstabiliteit van NdFeB-magneten
De magnetische eigenschappen van NdFeB-magneten zijn afhankelijk van temperatuur. De temperatuurcoëfficiënt van de intrinsieke coërciviteit (hoe Hci varieert met de temperatuur) voor neodymium bedraagt ongeveer -0,6%/graad C (vanuit de omgevingstemperatuur, met een bereik van -0,45%/graad C tot -0,6%/graad C, afhankelijk van de neodymiumsoort) tussen +20 en +120 graden C. Dit betekent dat de magnetische sterkte en coërciviteit van de NdFeB-magneten kunnen variëren als de temperatuur verandert, wat van invloed kan zijn op de prestaties van het magnetische koelsysteem. Bij magnetische koelkasten die op kamertemperatuur werken, waarbij de bedrijfstemperatuur kan schommelen, is het essentieel dat de magnetische eigenschappen van NdFeB-magneten stabiel blijven voor betrouwbare en efficiënte koeling. Onderzoekers werken aan de ontwikkeling van NdFeB-magneten met verbeterde temperatuurstabiliteit door middel van materiaalmodificatie- en coatingtechnologieën.
Compatibiliteit van magnetocalorische materialen
De prestaties van een magnetisch koelsysteem hangen niet alleen af van de eigenschappen van de NdFeB-magneten, maar ook van de compatibiliteit met magnetocalorische materialen. Magnetocalorische materialen zijn de belangrijkste componenten die het magnetocalorische effect ondergaan om afkoeling te bereiken. De magnetische materialen die momenteel in magnetische koeltechnologie worden gebruikt, vertonen kleine veranderingen in de magnetische entropie, waardoor er tijdens elke magnetische koelcyclus beperkte temperatuurverschillen ontstaan. Het ontwikkelen van magnetocalorische materialen met hogere magnetische entropieveranderingen die ook compatibel zijn met NdFeB-magneten wat betreft magnetische veldvereisten en thermische eigenschappen, is een grote uitdaging. Sommige magnetocalorische materialen hebben bijvoorbeeld zeer hoge magnetische velden nodig om een significant koeleffect te bereiken. Deze kunnen de capaciteiten van NdFeB-magneten te boven gaan of zijn moeilijk uniform te genereren.
Kosten en beschikbaarheid van zeldzame aardmetalen
NdFeB-magneten bevatten zeldzame aardmetalen zoals neodymium en dysprosium, die relatief schaars en duur zijn. De hoge kosten van deze zeldzame aardmetalen dragen bij aan de totale kosten van NdFeB-magneten en dus ook aan de kosten van magnetische koelsystemen. Bovendien is de levering van zeldzame aardmetalen onderhevig aan geopolitieke en marktschommelingen, wat risico's kan opleveren voor de grootschalige commercialisering van magnetische koeltechnologie. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, onderzoeken onderzoekers alternatieve magnetocalorische materialen die niet afhankelijk zijn van zeldzame aardmetalen. Ook ontwikkelen ze efficiëntere recyclingmethoden voor zeldzame aardmetalen uit afgedankte producten.
Conclusie
NdFeB-magneten hebben een groot potentieel voor toepassing in magnetische koeltechnologie, waaronder magnetische koelkasten voor kamertemperatuur, vanwege hun vermogen om sterke magnetische velden te genereren, compacte ontwerpen mogelijk te maken en recycling en duurzaamheid te ondersteunen. Er zijn echter een aantal technische knelpunten die nog moeten worden aangepakt, zoals de sterkte en uniformiteit van het magnetische veld, de temperatuurstabiliteit, de compatibiliteit van magnetocalorische materialen en de kosten en beschikbaarheid van zeldzame aardmetalen. Voortdurend onderzoek en ontwikkeling op het gebied van magneetontwerp, materiaalkunde en recyclingtechnologieën zijn essentieel om deze uitdagingen het hoofd te bieden en het volledige potentieel van NdFeB-gebaseerde magnetische koelsystemen te benutten.
