Magnetische koeling

Magnetische koeling:
een echt alternatief?
Ekkes Brück
Van der Waals-Zeeman Inststuut
Universiteit van Amsterdam
Introductie
Magnetische koeling
Winterweekend 18-3-05
Inleiding koelen
Levensmiddel bereiding / opslag / transport
Electronica
Chemisch Industrie
Processtechniek
Medische techniek
Winterweekend 18-3-05
Koeltechnieken
Fysisch principe
Toepassing
Expansie ideaal gas
Stirling-koeler
Claude-turbine
Joule-Thomson effect
Liquefactor (Linde)
Peltier effect
Elektronica
Infraroodkijker
Verdamping
Huishoudkoelkast
Koelbox
Lage-temperatuur fysica
Adiabatisch demagnetiseren
Winterweekend 18-3-05
Hoe werkt de koelkast in de keuken?
Winterweekend 18-3-05
Eigenschappen van enkele Koelmiddelen
Naam
Amoniak
Butaan
Isobutaan
Propane
Freon 12
R134a
CO2
Ozon Broeikas brandbaar
afbreken
gas
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
-
Winterweekend 18-3-05
giftig
+
0
0
0
0
Druck
(bar)
12
3
4
10
4
5
73
Magnetisme
Elektromagneet
Magnetisch materiaal
Magneet
Winterweekend 18-3-05
Magnetische elementen
2p
3d
4f
Winterweekend 18-3-05
Thermodynamica:
Gibbs vrije energie
U = Inwendig energie
S = Entropie
V = Volume
M = Magnetisatie
Winterweekend 18-3-05
Magnetische koeling:
1926 voorgesteld door Debye en Giauque (Nobelprijs 1949)
Uitwendig magnetisch veld
verandert entropie van
magnetisch momenten
Compact, geen broeikasgassen, hoog
rendement, permanente magneten
Winterweekend 18-3-05
2001 Model
Permanente magneet 2 T
Compact-disk grootte
Winterweekend 18-3-05
1.5T
Winterweekend 18-3-05
Chubu and Toshiba Refrigerator 2003
(Gd, Dy) metaal
Roterend magneet
0.76 T
Koelvermogen
60 W
T span 20 K
Winterweekend 18-3-05
Winterweekend 18-3-05
Mangaanverbindingen
Mogelijk alternatief
Veel voorkomend (laag prijs)
Middelgroot magnetisch moment (moderate MC effect)
Sterke koppeling met rooster (Simultane magnetische
en structurele overgang)
Winterweekend 18-3-05
MnFeP1-xAsx
Hexagonale Fe2P-type structuur
Ruimtegroep:
P-62m
Mn 3g sites
Fe 3f sites
P/As 1b&2c sites
Winterweekend 18-3-05
Sample-preparatie
Startmaterialen Fe2P, Mn2As3, Mn & P
Mechanisch legeren
Sinteren 1000oC
Gloeien 800oC
Winterweekend 18-3-05
Magnetisatieproces nabij Tc
Metamagnetische
overgang met
kleine hysteresis
Winterweekend 18-3-05
Temperatuurafhankelijkheid van magnetisatie
voor verschillende samenstellingen
Tc instelbaar
Winterweekend 18-3-05
Vergelijking met Gd metaal
Stapgewijze
overgang
Eerste orde
Zeer kleine
hysteresis
Winterweekend 18-3-05
Vergelijking magnetocalorisch effect in materialen
Energie opname in
relevant T interval
Winterweekend 18-3-05
Veldafhankelijkheid van de koelcapaciteit
Direct geschikt
Gd te vervangen
Laag-vermogen
toepassingen
in laag veld
Winterweekend 18-3-05
Koeler
Verder verbeteren van magnetokalorisch materiaal
gebaseerd op mangaan.
Ontwikkelen van koeler, werkend in veld van
permanente magneet.
Winterweekend 18-3-05
Thank You for Your Attention!
Winterweekend 18-3-05
Temperature dependence of entropy
Two processes
Isothermal or
Adiabatic
Winterweekend 18-3-05
Stirling cooler: ideal gas PV=nRT
Stirling cycle involves alternating compression and
expansion of gas in a closed cycle.
Four distinct phases:
Winterweekend 18-3-05
Magnetic cooling:
Winterweekend 18-3-05
Winterweekend 18-3-05
Thermodynamics:
Differential of Gibbs free energy
 G 
 G 
 G 
S T , B, p   

, M T , B, p   

 , V T , B, p   
 T  B,p
 B T ,p
 p T ,B
Entropy
Magnetization
Volume
Differential of entropy
 S 
 S 
 S 
 dp
dS  
 dT  
 dB  
 T B,p
 B T ,p
 p T ,B
Winterweekend 18-3-05
Identification of terms
 S 
dS 
dT    dB  Vdp
T
 B T , p
CB, p
Adiabatic process at
constant pressure
T
dT  
CB, p
 S 
  dB
 B T , p
Maxwell relations
B
Magnetic entropy
ΔSm  
0
Winterweekend 18-3-05
 M 

 dB
 T B