Aplikácia NdFeB magnetov v magnetickej chladiacej technológii a súčasné technické nedostatky

Aplikácia NdFeB magnetov v magnetickej chladiacej technológii

Generovanie silných magnetických polí

NdFeB magnety majú veľmi vysoký magnetický energetický produkt, ktorý im umožňuje generovať silné magnetické polia. V magnetických chladiacich systémoch je silné a stabilné magnetické pole nevyhnutné na vyvolanie významného magnetokalorického efektu v magnetokalorických materiáloch. Napríklad permanentné magnety typu NdFeB sa použili na generovanie maximálneho magnetického poľa 0,9 T vo vzduchovej medzere pri maximálnej teplote rozpätia 11 K. Toto silné magnetické pole môže spôsobiť podstatnú zmenu teploty v magnetokalorickom materiáli, čo umožňuje efektívny prenos tepla a chladenie.

Kompaktný dizajn a vysoká hustota výkonu

Vysoká magnetická sila magnetov NdFeB umožňuje navrhovanie kompaktných magnetických chladiacich systémov. V porovnaní s inými typmi magnetov dokážu magnety NdFeB vytvoriť rovnaké magnetické pole s menším objemom a hmotnosťou. Toto je obzvlášť výhodné pre magnetické chladničky s izbovou teplotou, kde je priestor často obmedzený. Kompaktný dizajn tiež vedie k vyššej hustote výkonu, čo znamená, že v danom objeme je možné dosiahnuť väčší chladiaci výkon, vďaka čomu je technológia praktickejšia pre reálne aplikácie.

Recyklácia a udržateľnosť

Rastie záujem o používanie recyklovaných magnetov NdFeB v magnetických chladiacich systémoch. Recyklácia magnetov NdFeB nielenže znižuje vplyv na životné prostredie spojený s ťažbou a spracovaním prvkov vzácnych zemín, ale tiež pomáha znižovať náklady na technológiu magnetického chladenia. Bolo vyrobené magnetické chladiace zariadenie s použitím recyklovaných magnetov NdFeB a “voľné vzácne zeminy” magnetokalorický materiál La-Fe-Si, demonštrujúci uskutočniteľnosť zeleného magnetického chladenia. Optimalizáciou magnetov a ich geometrie je možné ďalej znížiť ekologickú stopu magnetických chladiacich systémov.

Súčasné technické úzke miesta

Intenzita a uniformita magnetického poľa

Hoci NdFeB magnety môžu generovať silné magnetické polia, dosiahnutie vysoko rovnomerného magnetického poľa vo veľkom pracovnom objeme zostáva výzvou. V magnetických chladiacich systémoch je rovnomerné magnetické pole kľúčové pre zabezpečenie toho, aby všetky časti magnetokalorického materiálu zažívali rovnakú zmenu magnetického poľa, čo je nevyhnutné pre efektívne a konzistentné chladenie. Nejednotné magnetické polia môžu viesť k lokálnym variáciám magnetokalorického efektu, čím sa znižuje celková účinnosť chladenia systému. Na riešenie tohto problému výskumníci skúmajú pokročilé návrhy magnetov, ako sú Halbachove polia, ktoré môžu zlepšiť rovnomernosť magnetického poľa v špecifických oblastiach.

Teplotná stabilita magnetov NdFeB

Magnetické vlastnosti magnetov NdFeB sú závislé od teploty. Teplotný koeficient vnútornej koercivity (ako sa Hci mení s teplotou) pre neodým je približne -0,6 %/°C (od teploty okolia, s rozsahom od -0,45 %/°C do -0,6 %/°C v závislosti od druhu neodýmu) medzi +20 a +120 °C. To znamená, že so zmenou teploty sa môže meniť magnetická sila a koercivita magnetov NdFeB, čo môže ovplyvniť výkon magnetického chladiaceho systému. V magnetických chladničkách s izbovou teplotou, kde môže prevádzková teplota kolísať, je pre spoľahlivé a efektívne chladenie nevyhnutné udržiavať stabilitu magnetických vlastností magnetov NdFeB. Výskumníci pracujú na vývoji NdFeB magnetov so zlepšenou teplotnou stabilitou prostredníctvom modifikácie materiálu a technológií povrchovej úpravy.

Kompatibilita magnetokalorických materiálov

Výkon magnetického chladiaceho systému závisí nielen od vlastností magnetov NdFeB, ale aj od kompatibility s magnetokalorickými materiálmi. Magnetokalorické materiály sú kľúčovými komponentmi, ktoré podliehajú magnetokalorickému efektu na dosiahnutie chladenia. V súčasnosti majú magnetické materiály používané v technológii magnetického chladenia malé zmeny magnetickej entropie, čo vedie k obmedzeným teplotným rozdielom generovaným počas každého cyklu magnetického chladenia. Vývoj magnetokalorických materiálov s vyššími zmenami magnetickej entropie, ktoré sú zároveň kompatibilné s NdFeB magnetmi z hľadiska požiadaviek na magnetické pole a tepelných vlastností, je veľkou výzvou. Napríklad niektoré magnetokalorické materiály môžu vyžadovať veľmi silné magnetické polia na dosiahnutie významných chladiacich účinkov, ktoré môžu presiahnuť schopnosti magnetov NdFeB alebo ich môže byť ťažké generovať rovnomerne.

Cena a dostupnosť prvkov vzácnych zemín

NdFeB magnety obsahujú prvky vzácnych zemín, ako je neodým a dysprosium, ktoré sú relatívne vzácne a drahé. Vysoká cena týchto prvkov vzácnych zemín prispieva k celkovým nákladom na magnety NdFeB a následne k nákladom na magnetické chladiace systémy. Okrem toho, dodávky prvkov vzácnych zemín podliehajú geopolitickým a trhovým výkyvom, čo môže predstavovať riziká pre rozsiahlu komercializáciu magnetickej chladiacej technológie. Aby sa prekonali tieto výzvy, výskumníci skúmajú alternatívne magnetokalorické materiály, ktoré nespoliehajú na prvky vzácnych zemín, a vyvíjajú efektívnejšie metódy recyklácie prvkov vzácnych zemín z produktov na konci ich životnosti.

Záver

NdFeB magnety majú významný potenciál pre uplatnenie v magnetickej chladiacej technológii, vrátane magnetických chladničiek pri izbovej teplote, vďaka svojej schopnosti generovať silné magnetické polia, umožňovať kompaktné konštrukcie a podporovať recykláciu a udržateľnosť. Je však potrebné riešiť niekoľko technických problémov, ako je sila a rovnomernosť magnetického poľa, teplotná stabilita, kompatibilita magnetokalorických materiálov a náklady a dostupnosť prvkov vzácnych zemín. Na prekonanie týchto výziev a na dosiahnutie plného potenciálu magnetických chladiacich systémov na báze NdFeB je nevyhnutný pokračujúci výskum a vývoj v oblasti dizajnu magnetov, materiálovej vedy a recyklačných technológií.