Применение магнитов NdFeB в технологии магнитного охлаждения и текущие технические проблемы

Применение магнитов NdFeB в технологии магнитного охлаждения

Генерация сильных магнитных полей

Магниты NdFeB обладают очень высоким произведением магнитной энергии, что позволяет им генерировать сильные магнитные поля. В магнитных холодильных системах сильное и стабильное магнитное поле необходимо для индукции значительного магнитокалорического эффекта в магнитокалорических материалах. Например, постоянные магниты типа NdFeB использовались для создания максимального магнитного поля 0,9 Тл в воздушном зазоре при максимальной температуре промежутка 11 К. Это сильное магнитное поле может вызвать существенное изменение температуры в магнитокалорическом материале, обеспечивая эффективную передачу тепла и охлаждение.

Компактная конструкция и высокая плотность мощности

Высокая магнитная прочность магнитов NdFeB позволяет проектировать компактные системы магнитного охлаждения. По сравнению с другими типами магнитов магниты NdFeB могут создавать такое же магнитное поле при меньшем объеме и весе. Это особенно выгодно для магнитных холодильников комнатной температуры, где пространство часто ограничено. Компактная конструкция также обеспечивает более высокую плотность мощности, а это означает, что в заданном объеме можно достичь большей охлаждающей способности, что делает технологию более практичной для реальных применений.

Переработка и устойчивое развитие

Растет интерес к использованию переработанных магнитов NdFeB в магнитных холодильных системах. Переработка магнитов NdFeB не только снижает воздействие на окружающую среду, связанное с добычей и переработкой редкоземельных элементов, но и способствует снижению стоимости технологии магнитного охлаждения. Магнитное охлаждающее устройство было создано с использованием переработанных магнитов NdFeB и “свободный редкоземельный” магнитокалорический материал La - Fe - Si, демонстрирующий возможность зеленого магнитного охлаждения. Оптимизируя магниты и их геометрию, можно еще больше снизить экологический след магнитных холодильных систем.

Текущие технические узкие места

Напряженность и однородность магнитного поля

Хотя магниты NdFeB могут генерировать сильные магнитные поля, достижение высокооднородного магнитного поля в большом рабочем объеме остается сложной задачей. В магнитных холодильных системах однородное магнитное поле имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы все части магнитокалорического материала испытывали одинаковое изменение магнитного поля, что необходимо для эффективного и равномерного охлаждения. Неоднородные магнитные поля могут привести к локальным изменениям магнитокалорического эффекта, снижая общую эффективность охлаждения системы. Чтобы решить эту проблему, исследователи изучают усовершенствованные конструкции магнитов, такие как решетки Хальбаха, которые могут повысить однородность магнитного поля в определенных регионах.

Температурная стабильность магнитов NdFeB

Магнитные свойства магнитов NdFeB зависят от температуры. Температурный коэффициент собственной коэрцитивной силы (как Hci меняется в зависимости от температуры) для неодима составляет приблизительно -0,6%/градус Цельсия (от температуры окружающей среды, в диапазоне от -0,45%/градус Цельсия до -0,6%/градус Цельсия в зависимости от марки неодима) в диапазоне от +20 до +120 градусов Цельсия. Это означает, что при изменении температуры магнитная сила и коэрцитивная сила магнитов NdFeB могут меняться, что может повлиять на производительность магнитной холодильной системы. В магнитных холодильниках, работающих при комнатной температуре, где рабочая температура может колебаться, поддержание стабильности магнитных свойств магнитов NdFeB имеет важное значение для надежного и эффективного охлаждения. Исследователи работают над созданием магнитов NdFeB с улучшенной температурной стабильностью за счет технологий модификации материала и нанесения покрытий.

Совместимость магнитокалорических материалов

Производительность магнитной холодильной системы зависит не только от свойств магнитов NdFeB, но и от совместимости с магнитокалорическими материалами. Магнитокалорические материалы являются ключевыми компонентами, которые подвергаются магнитокалорическому эффекту для достижения охлаждения. В настоящее время магнитные материалы, используемые в технологии магнитного охлаждения, характеризуются небольшими изменениями магнитной энтропии, что приводит к ограниченным разностям температур, возникающим в течение каждого цикла магнитного охлаждения. Разработка магнитокалорических материалов с более высокими изменениями магнитной энтропии, которые также совместимы с магнитами NdFeB с точки зрения требований к магнитному полю и тепловым свойствам, является серьезной проблемой. Например, для достижения значительного охлаждающего эффекта некоторым магнитокалорическим материалам могут потребоваться очень сильные магнитные поля, которые могут превысить возможности магнитов NdFeB или их будет трудно создать равномерно.

Стоимость и доступность редкоземельных элементов

Магниты NdFeB содержат редкоземельные элементы, такие как неодим и диспрозий, которые являются относительно редкими и дорогими. Высокая стоимость этих редкоземельных элементов влияет на общую стоимость магнитов NdFeB и, следовательно, на стоимость систем магнитного охлаждения. Кроме того, поставки редкоземельных элементов подвержены геополитическим и рыночным колебаниям, что может представлять риск для крупномасштабной коммерциализации технологии магнитного охлаждения. Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи изучают альтернативные магнитокалорические материалы, не содержащие редкоземельных элементов, а также разрабатывают более эффективные методы переработки редкоземельных элементов из отслуживших свой срок изделий.

Заключение

Магниты NdFeB имеют значительный потенциал для применения в технологии магнитного охлаждения, в том числе в магнитных холодильниках, работающих при комнатной температуре, благодаря их способности генерировать сильные магнитные поля, обеспечивать компактность конструкций и способствовать переработке и устойчивому развитию. Однако необходимо решить ряд технических проблем, таких как напряженность и однородность магнитного поля, температурная стабильность, совместимость с магнитокалорическими материалами, а также стоимость и доступность редкоземельных элементов. Для преодоления этих проблем и полной реализации потенциала магнитных холодильных систем на основе NdFeB необходимы дальнейшие исследования и разработки в области проектирования магнитов, материаловедения и технологий переработки.