Tillämpning av NdFeB-magneter inom magnetisk kylteknik och nuvarande tekniska flaskhalsar

Tillämpning av NdFeB-magneter inom magnetisk kylteknik

Generering av starka magnetfält

NdFeB-magneter har en mycket hög magnetisk energiprodukt, vilket gör att de kan generera starka magnetfält. I magnetiska kylsystem är ett starkt och stabilt magnetfält avgörande för att inducera en betydande magnetokalorisk effekt i de magnetokaloriska materialen. Till exempel har permanentmagneter av NdFeB-typen använts för att generera ett maximalt magnetfält på 0,9 T i luftgapet vid en maximal spanntemperatur på 11 K. Detta starka magnetfält kan orsaka en betydande temperaturförändring i det magnetokaloriska materialet, vilket möjliggör effektiv värmeöverföring och kylning.

Kompakt design och hög effekttäthet

Den höga magnetiska styrkan hos NdFeB-magneter möjliggör design av kompakta magnetiska kylsystem. Jämfört med andra typer av magneter kan NdFeB-magneter producera samma magnetfält med mindre volym och vikt. Detta är särskilt fördelaktigt för magnetiska kylskåp som tål rumstemperatur, där utrymmet ofta är begränsat. En kompakt design leder också till en högre effekttäthet, vilket innebär att mer kylkapacitet kan uppnås inom en given volym, vilket gör tekniken mer praktisk för verkliga tillämpningar.

Återvinning och hållbarhet

Det finns ett växande intresse för att använda återvunna NdFeB-magneter i magnetiska kylsystem. Återvinning av NdFeB-magneter minskar inte bara miljöpåverkan i samband med gruvdrift och bearbetning av sällsynta jordartsmetaller, utan bidrar också till att sänka kostnaden för magnetisk kylteknik. En magnetisk kylanordning har byggts med hjälp av återvunna NdFeB-magneter och “fria sällsynta jordartsmetaller” magnetokaloriskt material La-Fe-Si, vilket visar genomförbarheten av grön magnetisk kylning. Genom att optimera magneterna och deras geometri är det möjligt att ytterligare minska det ekologiska fotavtrycket hos magnetiska kylsystem.

Nuvarande tekniska flaskhalsar

Magnetisk fältstyrka och likformighet

Även om NdFeB-magneter kan generera starka magnetfält är det fortfarande en utmaning att uppnå ett mycket enhetligt magnetfält över en stor arbetsvolym. I magnetiska kylsystem är ett enhetligt magnetfält avgörande för att säkerställa att alla delar av det magnetokaloriska materialet upplever samma magnetfältförändring, vilket är nödvändigt för effektiv och jämn kylning. Icke-uniforma magnetfält kan leda till lokala variationer i den magnetokaloriska effekten, vilket minskar systemets totala kyleffektivitet. För att ta itu med detta problem utforskar forskare avancerade magnetdesigner, såsom Halbach-matriser, vilka kan förbättra magnetfältets enhetlighet i specifika regioner.

Temperaturstabilitet hos NdFeB-magneter

De magnetiska egenskaperna hos NdFeB-magneter är temperaturberoende. Temperaturkoefficienten för den inneboende koercitiviteten (hur Hci varierar med temperaturen) för neodym är ungefär -0,6 %/grad C (från omgivningstemperatur, med ett intervall på -0,45 %/grad C till -0,6 %/grad C beroende på neodymkvalitet) mellan +20 och +120 grader C. Det betyder att när temperaturen ändras kan den magnetiska styrkan och koercitiviteten hos NdFeB-magneterna variera, vilket kan påverka prestandan hos det magnetiska kylsystemet. I magnetiska kylskåp med rumstemperatur, där driftstemperaturen kan fluktuera, är det viktigt att bibehålla stabiliteten hos NdFeB-magneternas magnetiska egenskaper för tillförlitlig och effektiv kylning. Forskare arbetar med att utveckla NdFeB-magneter med förbättrad temperaturstabilitet genom materialmodifiering och beläggningstekniker.

Magnetokalorisk materialkompatibilitet

Prestandan hos ett magnetiskt kylsystem beror inte bara på NdFeB-magneternas egenskaper utan också på kompatibiliteten med magnetokaloriska material. Magnetokaloriska material är de viktigaste komponenterna som genomgår den magnetokaloriska effekten för att uppnå kylning. För närvarande har de magnetiska material som används i magnetisk kylteknik små magnetiska entropiförändringar, vilket leder till begränsade temperaturskillnader som genereras under varje magnetisk kylcykel. Att utveckla magnetokaloriska material med högre magnetiska entropiförändringar som också är kompatibla med NdFeB-magneter vad gäller magnetfältkrav och termiska egenskaper är en stor utmaning. Till exempel kan vissa magnetokaloriska material kräva mycket höga magnetfält för att uppnå betydande kyleffekter, vilka kan överstiga NdFeB-magneternas kapacitet eller vara svåra att generera enhetligt.

Kostnad och tillgänglighet av sällsynta jordartsmetaller

NdFeB-magneter innehåller sällsynta jordartsmetaller som neodym och dysprosium, vilka är relativt sällsynta och dyra. Den höga kostnaden för dessa sällsynta jordartsmetaller bidrar till den totala kostnaden för NdFeB-magneter och följaktligen kostnaden för magnetiska kylsystem. Dessutom är tillgången på sällsynta jordartsmetaller föremål för geopolitiska och marknadsmässiga fluktuationer, vilket kan utgöra risker för storskalig kommersialisering av magnetisk kylteknik. För att övervinna dessa utmaningar utforskar forskare alternativa magnetokaloriska material som inte är beroende av sällsynta jordartsmetaller och utvecklar effektivare återvinningsmetoder för sällsynta jordartsmetaller från uttjänta produkter.

Slutsats

NdFeB-magneter har betydande potential för tillämpning inom magnetisk kylteknik, inklusive magnetiska kylskåp som tål rumstemperatur, tack vare deras förmåga att generera starka magnetfält, möjliggöra kompakta designer och stödja återvinning och hållbarhet. Emellertid behöver flera tekniska flaskhalsar åtgärdas, såsom magnetfältstyrka och likformighet, temperaturstabilitet, kompatibilitet med magnetokaloriska material samt kostnad och tillgänglighet av sällsynta jordartsmetaller. Fortsatt forskning och utveckling inom magnetdesign, materialvetenskap och återvinningsteknik är avgörande för att övervinna dessa utmaningar och förverkliga den fulla potentialen hos NdFeB-baserade magnetiska kylsystem.