Magnetocalorische materialen voor koeltoepassingen bij

MAGNETISCHE KOELING
Koude & luchtbehandeling RCC
Tekst E. Brück, N.H. Dung, Z.Q. Ou, L. Caron, L. Zhang, K.H.J. Buschow
Magnetocalorische materialen voor
koeltoepassingen bij kamertemperatuur
De efficiënte koppeling tussen rooster-vrijheidsgraden en spin-vrijheidsgraden
in magnetische materialen kan worden gebruikt voor koeling. Deze koppeling
wordt nog krachtiger in materialen die een sterk magnetocalorisch effect
vertonen. Van de co-existentie van sterk en zwak magnetisme in afwisselende
atomaire lagen is onlangs aangetoond dat het een instrument kan zijn om
nieuwe materialen te ontwerpen. Het zwakke magnetisme van Fe-lagen (het
verdwijnen van het lokale magnetische moment bij de curietemperatuur) is
verantwoordelijk voor een sterke koppeling met het kristalrooster terwijl het
sterke magnetisme in aangrenzende Mn-lagen ervoor zorgt dat de curietemperatuur hoog genoeg is om de werking mogelijk te maken bij en boven
kamertemperatuur. Variaties in de samenstelling van deze magnetische
sub-roosters bieden een mogelijkheid om de werktemperatuur af te stemmen
en om een sterke vermindering te bereiken van de ongewenste thermische
hysteresis. Op deze manier ontwikkelen wij nieuwe materialen op basis van in
ruime mate beschikbare elementen met eigenschappen die afgestemd zijn op
de eisen van een efficiënt koelsysteem.
e moderne samenleving
rekent op direct beschikbare
koeling. Magnetische
koeling heeft drie belangrijke
voordelen in vergelijking met de
meestal gebruikte dampcompressie.
Ten eerste zijn er geen schadelijke
gassen bij betrokken, ten tweede is
het meer energie-efficiënt en ten
derde veroorzaken magnetische
koelkasten minder lawaai. Onlangs
is een nieuwe klasse van magnetische materialen voor koeltoepassingen bij kamertemperatuur ontdekt.
Deze nieuwe materialen bieden
belangrijke voordelen over bestaande magnetische materialen. Ze
vertonen een groot magnetocalorisch effect (MCE) in combinatie met
een magnetische fase-overgang van
de eerste orde. Dit MCE is groter dan
die van het metaal gadolinium (Gd),
dat wordt gebruikt in de demonstratiekoelkasten, die gemaakt zijn om
de mogelijkheden van deze ontwikkelende technologie te verkennen.
Een geoptimaliseerde magnetoca-
D
lorisch materiaal kan worden
beschouwd als een zeer efficiënte
omzetter voor energie uit de
spinsector (magnetisering, magnetisch veld) naar fononen (thermische energie) en vice versa.
Vanwege de microscopische
quantumaard van het spinsysteem
in een vaste stof en de koppeling
met het rooster bezit deze energieoverdracht een inherent hoge
efficiëntie.
Als we dus het juiste magnetocalorische systeem hebben, kunnen we
de warmtestroom tussen het
materiaal en zijn omgeving gebruiken om een geschikt materiaal in
een magnetocalorische overgang te
schakelen en zo kunnen we deze
thermische energie efficiënt omzetten in een verandering in magnetisch veld. Deze behoeft slechts te
worden ‘opgepakt’ in een solenoïde
en de overdracht van warmte naar
elektrische stroom is voltooid. Als
alternatief kan men magnetische
velden die worden toegepast in
magnetocalorisch materiaal
omschakelen en dat zal resulteren
in een verandering van temperatuur. Deze verandering van temperatuur kan worden toegepast in een
warmtepomp.
Onlangs is een aantal magnetocalorische demonstratiekoelkasten
gebouwd die werken rond kamertemperatuur. De meeste van deze
apparaten gebruiken het metaal
gadolinium (Gd) als magnetocalorisch materiaal. Gd is zeer geschikt
voor demonstraties om zijn curietemperatuur die zich dicht bij
kamertemperatuur bevindt en zijn
grote magnetische moment. Echter,
vanwege de vrij hoge materiaalkosten en de beperkte beschikbaarheid
van zeldzame aardmetalen, waartoe
galodinium behoort, kunnen
commerciële producten gebaseerd
op Gd niet concurreren. De ontwikkeling van nieuwe magnetocalorische materialen is dan ook een
voorwaarde voor de marktintroductie van deze technologie. In dit
artikel zullen we de basis-thermodynamica van magnetische koeling
introduceren en enkele voorbeelden geven van prototypes en
tenslotte bespreken we nieuwe op
transitiemetaal gebaseerde magnetocalorische materialen die momenteel worden ontwikkeld en
kunnen leiden tot commercieel
concurrerende warmtepompen.
Magnetische koeling
Wanneer een materiaal wordt
gemagnetiseerd in een opgelegd
magnetisch veld, verandert de
entropie geassocieerd met de
magnetische vrijheidsgraden, de zo
genoemde magnetische entropie
106 e JAARGANG SEPTEMBER 2013
37
MAGNETISCHE KOELING
RCC Koude & luchtbehandeling
Sm, omdat het veld de magnetische
orde van het materiaal verandert.
Onder adiabatische omstandigheden moet ∆Sm worden gecompenseerd door een gelijke maar tegengestelde verandering van de
entropie verbonden met het rooster,
resulterend in een verandering in
temperatuur van het materiaal.
Deze wijziging van de temperatuur
∆Tad wordt meestal aangeduid met
het magnetocalorisch effect. Het is
gerelateerd aan de magnetische
eigenschappen van het materiaal
door de thermodynamische
Maxwell-vergelijking
Figuur 1: Foto van een 500 W koelkast
(1)
Voor magnetisatie-metingen op
discrete temperatuurintervallen kan
∆Sm worden berekend door middel
van
(2)
waarbij Mi +1 (Ti +1, B) en Mi (Ti, B)
de waarden van de magnetisatie in
een magnetisch veld B bij de
temperaturen Ti respectievelijk Ti +1
vertegenwoordigen.
Anderzijds kan de magnetische
entropieverandering meer rechtstreeks worden verkregen uit een
calorimetrische meting van de
veldafhankelijkheid van de warmtecapaciteit en daaropvolgende
integratie:
(3)
De adiabatische temperatuurverandering kan numeriek geïntegreerd
worden met behulp van de experimenteel gemeten of theoretisch
voorspelde magnetisatie en warmtecapaciteit
(4)
Uiteraard is de MCE groot wanneer
aanzienlijk en C(T,B) klein is bij
dezelfde temperatuur.
Deze voorwaarde geldt voor
paramagnetische materialen van
bijna nul Kelvin waar de graad van
38
SEPTEMBER 2013 106 e JAARGANG
magnetisatie gaat afwijken en de
warmtecapaciteit nul nadert. Dit is
de reden waarom de eerste totstandkoming van magnetische
koeling werkte bij zeer lage temperaturen. Omdat wij geïnteresseerd
zijn in een werking bij hogere
temperaturen is de warmtecapaciteit meestal vrij groot, in de orde
van de regel van Dulong Petit: C ≈
3NR met N het aantal atomen en R
de molaire gasconstante. Daarom
moeten we ons concentreren op
het vinden van een grote verandering in magnetisatie bij de relevante temperatuur. Aangezien het
sterkst is bij de temperatuur van de
magnetische ordening wordt een
grote MCE verwacht dicht bij deze
magnetische faseovergang en het
effect kan verder worden gemaximaliseerd wanneer de orde-parameter van de faseovergang sterk
verandert binnen een klein temperatuurinterval. Het laatste geldt voor
faseovergangen van de eerste orde.
Gezien het belang van de toepassingen is de interesse in de overgang van de eerste orde direct
gerelateerd aan het feit dat een
relatief klein aangelegd magnetisch
veld een belangrijke verandering in
entropie kan bewerkstelligen omdat
het een bepaalde hoeveelheid
latente warmte bevat. Bij een eerste
orde-overgang treedt ook thermische- of veld-hysteresis op die
echter voor onze toepassingen
klein moet zijn.
Magnetische koelkasten
In het magnetische koelsysteem
worden aanvankelijk willekeurig
georiënteerde magnetische momenten uitgelijnd door een magnetisch veld, waardoor de temperatuur
van het magnetische materiaal
stijgt. Deze warmte wordt uit het
materiaal door warmteoverdracht
naar de omgeving verplaatst.
Het verwijderen van het veld,
waardoor de magnetische momenten zich in willekeurige volgorde
herschikken, leidt tot koeling van
het materiaal tot onder de omgevingstemperatuur. Warmte uit het
te koelen systeem kan vervolgens
worden onttrokken via een warmteoverdrachtsmedium. Afhankelijk
van de temperatuur kan het warmteoverdrachtsmedium water (met
antivries) of lucht zijn en voor zeer
lage temperaturen helium.
Daarom is magnetische koeling een
milieuvriendelijke koeltechnologie.
Het maakt geen gebruik van
ozonafbrekende stoffen (CFK’s),
gevaarlijke chemische stoffen
(NH3), of broeikasgassen (HCFK’s en
HFK’s).
Een ander belangrijk verschil tussen
koelkasten werkend op een verdampingskringloop en magnetische koelkasten is de hoeveelheid
energieverlies tijdens de koelcyclus.
Van de koelefficiëntie in magnetische koelkasten werkend met gadolinium is aangetoond dat deze 60
procent van de theoretische limiet
MAGNETISCHE KOELING
Koude & luchtbehandeling RCC
bedraagt. Deze energie-efficiëntie
zal resulteren in een verminderde
CO2-uitstoot.
De meeste van de moderne magnetische koelkasten maken gebruik
van het ‘actieve magnetische
regenerator’-kringproces (AMR) die
het werken over een veel breder
temperatuurbereik mogelijk maakt
dan de enkele stap van temperatuurverandering die optreedt tijdens het
magnetiseren of demagnetiseren.
Er zijn vele verschillende ontwerpen van prototypes voorgesteld.
Als voorbeeld tonen we in figuur 1
een 500 W koelsysteem werkend
met roterende permanente magneten en Gd-bollen als koudebron.
Bovendien worden in tabel I enkele
van de eerste ontwerpen met hun
kenmerken vermeld. Zowel zuigeren roterende ontwerpen zijn gebruikt
en ook de veldbron is zeer divers,
variërend van eenvoudige permanente magneten tot elektromagneten
en supergeleidende spoelen.
Een opvallend kenmerk van al deze
machines is dat ze – op één uitzondering na – alle galodinium of een
legering van andere zeldzame
aardmetalen gebruiken als werkende
stof. De enige uitzondering is de
machine van Astronautics die gebruik
maakt van een LaFeSiH-legering.¹)
Enerzijds vergemakkelijkt dit de
vergelijking van de prestaties van
verschillende machineontwerpen,
anderzijds weerspiegelt het echter
ook de beperkte beschikbaarheid
van geschikte alternatieven.
Pas onlangs kwamen er grotere
hoeveelheden op overgangs- of
transitiemetalen gebaseerde
magnetische koudebronnen
beschikbaar. Dit blijkt uit een snelle
stijging van het aantal warmtepompontwerpen. Bij de THERMAGconferentie van 17-20 september
2012 in Grenoble zijn 29 nieuwe
prototypes en machine-ontwerpen
gepresenteerd in een vermogensbereik van enkele W tot 2 kW.
Deze warmtepompen gebruiken
naast legeringen van zeldzame
aardmetalen, LaFeCoSi, LaFeMnSiH,
LaFeSiH, MnFePAs en MnFePGe.¹)
Magnetocalorische
materialen
Na de ontdekking van een zeer sterk
magnetocalorisch effect (MCE) in
Gd5(Si, Ge)4, is een aantal magnetocalorische materialen met een eersteorde magnetische faseovergang
(FOMT - first order magnetic phase
transition) intensief onderzocht.
In deze materialen versterkt de
FOMT het magnetocalorisch effect
in de nabijheid van de magnetische
faseovergang. De maximum
isothermische entropieverandering
is derhalve vaak aanzienlijk groter
dan die van het referentiemateriaal
Gd die een tweede-orde magnetische faseovergang geeft.
Door het combineren van sterk
magnetocalorische materialen met
verschillende TC (curietemperatuur) in diverse samenstellingen
wordt een hogere efficiëntie en
een groter temperatuurbereik
Actieve Magnetische Regenerator Type
Actieve Magnetische Regenerator Materiaal
Magnetisch
veld(T)
Opmerkingen
Ames Laboratory / Astronautics
heen en weer
bewegend
Gd bollen
5 (S)
COPT 10
Barcelona
roterend
Gd folie
0,3 (P)
Olijfolie
Universiteit van
Victoria
heen en weer
bewegend
Gd,
Gd.74%Tb.26%
2 (S)
epoxy-gebonden bolletjes
Lab. Electric
Grenoble
heen en weer
bewegend
Gd folie
0,8 (P)
COPR 2,2
Astronautics
roterend
Gd, Gd-Er, bollen
LaFeSiH deeltjes
1,5 (P)
4 Hz
Tokyo Inst.
Techno. / Chubu
roterend
Gd-Dy, Gd-Y
bollen
0,7 (P)
Koppel 52 Nm
COPR 0,2
Natl Inst. Appl.
Sci. / Cooltech
roterend
Gd platen
1 (P)
Koppel 10 Nm
Xian Jiaotong
Univ.
heen en weer
bewegend
Gd bollen;
Gd5(Si, Ge)4
poeder
2,18 (E)
COPT 25
Universiteit van
Victoria
heen en weer
bewegend
Gd,
Gd.74%Tb.26%
Gd.85%Er.15%
2.0 (S)
DT 50K
Naam
Tabel I: Demonstratiemodellen van magnetische koeling. De magnetische veldbron is: (S) =
supergeleidende magneet; (P) = permanente magneet; (E) = elektromagneet. Wanneer auteurs prestaties vermelden is er sprake van COPT (alleen op basis van het koelvermogen en
het gedissipeerde vermogen bij de warmzijdige warmtewisselaar) en COPR (koelvermogen
gedeeld door het totale elektrische vermogen). )
106 e JAARGANG SEPTEMBER 2013
39
MAGNETISCHE KOELING
RCC Koude & luchtbehandeling
verkregen dan bij alleen Gd.
Voor optimale prestaties moeten de
gebruikte materialen in een zo
samengestelde regenerator zeer
gelijke magnetocalorische eigenschappen bezitten teneinde een
constante entropieverandering als
functie van de temperatuur te
bewerkstelligen.
De grote thermische hysteresis (=
naijleffect), vaak geassocieerd met de
FOMT, bemoeilijkt in ernstige mate
de toepassing in een koelcyclus.
Thermische en veld-hystereses zijn
intrinsieke eigenschappen van een
eerste-ordemateriaal. De grootte van
deze hysteresis kan echter sterk
afhankelijk zijn van de microstructuur of mechanische spanning in
het systeem. Bovendien blijkt dat het
type FOMT belangrijk is. Materialen
die een magneto-elastische overgang vertonen zonder verandering
van symmetrie kennen minder
hysteresis dan materialen met een
magneto-structurele faseovergang
met verandering van symmetrie.
Tot nu toe is slechts een zeer
beperkt aantal magnetische legeringen bekend die deze eigenschappen vertonen, namelijk
legeringen op basis van La (Fe, Si)13
en MnFe (P, X) met als X: As, Ge en
Si. De zoektocht naar nieuwe
materialen wordt duidelijk gehinderd door de beperkte kennis van
de onderliggende fysische mechanismen die leiden tot deze gewenste eigenschappen.
Omdat deze legeringen, afhankelijk van hun stoichiometrie (de
massaverhouding van de stoffen
die betrokken zijn bij een chemisch of fysisch verschijnsel), een
ferromagnetische of antiferromagnetische orde kunnen
vertonen, nam men tot voor kort
aan dat elkaar tegenwerkende
ferromagnetische en antiferromagnetische interacties een
belangrijke rol spelen in het
creëren van goede magnetocalorische materialen.
Deze aanname is perfect in overeenstemming met het fenomenologische beeld van de theorie van
Landau over faseovergangen van
de eerste orde. De voorspellende
kracht van dit model is echter zeer
beperkt omdat het bekend is dat
vele samenstellingen aan deze
voorwaarden voldoen, maar geen
tekenen vertonen van sterke
magnetocalorische effecten.
Gemengd magnetisme zoals recent
waargenomen voor de samenstellingen (Mn, Fe)2(P, Si) belooft van
veel groter belang te zijn voor het
selecteren van nieuwe materialen.
Een dergelijke combinatie van sterk
en zwak magnetisme in één en
dezelfde samenstelling is onverwacht. Zwak magnetisme is zeldzaam, het is te vinden in materialen
zoals ZrZn2 of Ni3Al. De curietempe-
- Een compleet pakket voor installatie en onderhoud aan klimaatbeheersingsinstallaties
- Reinigt, onderhoudt en renoveert alle systemen op het gebied
van luchtbehandeling, koeling en ventilatie
- Inspecties
- Desinfecteren
- Legionellabestrijding
- Vermindering bedrijfskosten en lager ziekteverzuim
- VCA gecertificeerd
- Milieubewust door professioneel onderhoud
- Gericht op een inspirerende en comfortabele leef- en werkomgeving,
waarin gezondheid, veiligheid en duurzaamheid zijn verankerd
Expert op het gebied van conditioneren van water- en luchtgekoelde systemen
URFKDG[QLHWDIORSHQGLQGG
40
SEPTEMBER 2013 106 e JAARGANG
www.rochema.nl
Tel: (010) 521 74 02
MAGNETISCHE KOELING
Koude & luchtbehandeling RCC
raturen zijn laag (bijvoorbeeld ZrZn2: 33 K; Ni3Al: 23-58 K,
afhankelijk van de samenstelling). Naar ons beste weten
zijn eerder geen andere gevallen van gemengd magnetisme beschreven. Het is direct gerelateerd aan het sterke
magnetocalorische effect, omdat in vaste materialen de
aanwezigheid van magnetische momenten rivaliseert met
de chemische binding.
Dit wordt het best geïllustreerd in het geval van een half
gevulde d-schil: de niet-magnetische omstandigheid
geeft een maximum aan chemische binding (zoals alle
half gevulde schillen), maar de hoge-spintoestand toont
geen binding, aangezien de hogere en lagere subbanden
volledig gevuld respectievelijk leeg zijn. Het verlies van de
moment-oriëntatie bij de curietemperatuur brengt daar
geen verandering in. Het verdwijnen van de momenten is
nodig om de d-elektronen deel te laten nemen aan
chemische bindingen.
Het verlies van de magnetische momenten van ijzer
maakt de sterke koppeling naar het rooster boven de
curietemperatuur mogelijk, hetgeen resulteert in de
discontinuïteit van de c/a-verhouding (maatverhouding
binnen een kristal) die leidt naar de FOMT. Anderzijds, het
sterke magnetisme van de mangaanlagen zorgt voor een
curietemperatuur rond de kamertemperatuur. Het magneto-elastische effect dat nauw verbonden is met de
verandering in de bezetting van de elektronorbitalen is
direct verbonden met de sterke magnetische entropieveranderingen door de bijdrage van de latente warmte. Op
deze manier kunnen berekeningen van de elektronische
structuur direct
worden gebruikt om
potentiële materialen te kiezen met
goede magnetocalorische eigenschappen.
We hebben experimenteel het effect
bestudeerd van het
veranderen van de
roosterplaatsbezettingen. De structuur
van het zeshoekige
Fe2P-type blijkt over
een breed bereik van
samenstellingen
stabiel te zijn.
Vergelijkbaar met de
orthorhombische
Figuur 2: Partiëel fasediagram van het viervoudige (MnFePSi) systeem (onderste figuur). samenstelling neemt
Het toont de samenstellingsafhankelijkheid TC toe bij een
van de magnetische-ordeningtemperatuur TC toenemend Si-ge(K) voor MnxFe2xP1ySiy mengsels.
halte.
Samenstellingsafhankelijkheid van de ther- Deze toename in TC
mische hysteresis ∆Thys (K) voor MnxFe2x- wordt waarschijnlijk
P1ySiy-mengsels (bovenste figuur).
veroorzaakt door een
Best verkochte
geïsoleerde
koelleiding!
KENMERKEN:
UÊ6,-/,/Ê-"/]ÊÎÊ
UÊ/,Ê6, Ê"*Ê,"
UÊ-"/7,ʵ > 6000
UÊSGS , --ʇ-£]dO
UÊ
" ",Ê*Ê £ÓÇÎx‡£
UÊ," ÊÓäÊEÊÎäÊ°
UÊ,
/ / Ê{Ê°
UÊ,Ê -/-
IS OOK VERKRIJGBAAR BIJ:
T 010 422 58 88 www.aircovent.nl
106 e JAARGANG SEPTEMBER 2013
41
MAGNETISCHE KOELING
RCC Koude & luchtbehandeling
toename van magnetische momenten die
experimenteel en
vanuit theoretische
berekeningen wordt
waargenomen. Deze
berekeningen geven
aan dat vooral het
Fe-moment op
3f-locaties wordt
versterkt. Er zijn
neutronendiffractieproefnemingen
uitgevoerd om deze
bevinding (experimenteel) te bevestigen.
Bij het verhogen van
het Mn-gehalte in
MnFe(P, Si) samenstelFiguur 3. Isotherm magnetische entropieverandering (onderste lingen, vermindert TC
figuur) bij een veldverandering van 0-1 T (open lijnen) en 0-2 T (zie fiuur 3 onderste
(volle lijnen) en magnetische respons (bovenste figuur) voor en- figuur).
kele typische MnxFe1,95-xP1-ySiy-samenstellingen.
Deze bevinding lijkt
op het eerste gezicht
verbazingwekkend omdat Mn een
Chemische symbolen,
groter moment lijkt te hebben dan
gebruikt in dit artikel:
Fe. Echter, de overmaat Mn-atomen
moeten nu de 3f-locatie bezetten
Al
= aluminium
waar zij alleen een relatief laag
As
= arseen
moment van 1,25µB kunnen ontCo
= kobalt**
wikkelen vergeleken met de 1,54µB
van Fe atomen als zij die plaatsen
Dy
= dysprosium*
bezetten. Bovendien is bekend dat
Er
= erbium*
Mn-legeringen vaak neigen naar
Fe
= ijzer**
een antiferromagnetische orde
Gd
= galodinium*
beneden een kritische Mn-MnGe
= germanium
afstand. De afstand tussen 3g- en
H
= waterstof
3f-locaties is duidelijk kleiner dan
La
= lanthaan*
deze kritische afstand en dus zal Mn
Mn
= mangaan**
op 3f-locaties niet bijdragen aan het
Ni
= nikkel**
sterke ferromagnetisme.
P
= fosfor
Anderzijds resulteert een toename
S
= zwavel
van het Fe-gehalte in een toename
Si
= silicium
van TC. De overmaat Fe zal de
3g-locaties bezetten waar Fe altijd
Tb
= terbium*
een groot magnetisch moment
Y
= yttrium*
heeft, en de TC van zeshoekig
Zn
= zink**
2P0,8Si0,2 510 K is hoger dan de
Fe
Zr
= zirkoon**
C van de legering met Mn.
T
Elementen gemerkt met *
behoren tot de zeldzame aardmetalen; met ** tot de overgangs- of
transitiemetalen (red.).
42
SEPTEMBER 2013 106 e JAARGANG
Beide Fe-substituties op het
Mn-subrooster of Mn-substituties
op het Fe-subrooster, alsmede een
toename in Si-gehalte zijn gunstig
omdat zij tot een afname in ∆ Thys
leiden (figuur 3 bovenste figuur).
Uit deze trends leiden we af dat een
grote ∆Sm gekoppeld aan een kleine
∆Thys kan worden verkregen door
het uitbalanceren van de Mn:Feverhouding en de P:Si-verhouding.
Bovendien kan TC worden afgestemd door het gelijktijdig veranderen van de Mn:Fe- en P:Si-verhoudingen om zowel een grote ∆Sm en
een kleine ∆Thys te behouden.
Deze trends gaan ook op voor
enigszins niet-stoichiometrische
samenstellingen. Door het gelijktijdig veranderen van Mn:Fe- en
P:Si-verhoudingen in MnxFe1,95xP1-ySiy samenstellingen kan de
werktemperatuur worden geregeld
tussen 210 en 430 K voor x = 1,35, y
= 0,46 respectievelijk x = 0,66 en y =
0,42, terwijl de overgang steil blijft
en de ∆Thys klein (1-1,5 K).
De entropie verandert als functie
van de temperatuur, afkomstig van
magnetische isothermen via de
Maxwell-vergelijkingen (vergelijking 2), weergegeven in figuur 3.
De absolute waarde van ∆Sm wordt
18 Jkg-1K-1 bij zowel 215 en 350 K,
onder een verandering van het
magnetisch veld 0-2 T. De piekwaarden zijn relatief stabiel (tussen
12,8-18,3 Jkg-1K-1) in het gehele
temperatuurbereik van 220 tot 380
K. Deze waarden zijn ongeveer 4
keer groter dan die van Gd (zie de
gegevens in figuur 3) voor instelbare temperaturen. Merk op dat
voor hetzelfde effect meer dan
tweemaal de waarde van de veldverandering, namelijk 0-5 T, vereist
is voor MnFe(P, As), eerder vermeld.
Op deze wijze kunnen met algemeen gangbare stoffen veel goedkoper magneten worden toegepast
in magnetocalorische koelkasten.
Omdat het grote effect over een
breed bereik van samenstellingen
wordt waargenomen, kan men een
net zo grote MCE over een breed
temperatuur-interval bereiken door
verschillende legeringen met
enigszins verschillende samenstel-
MAGNETISCHE KOELING
Koude & luchtbehandeling RCC
lingen in cascade aan te brengen in een actieve magnetische regenerator.
Een andere belangrijke parameter om het magnetocalorisch effect te karakteriseren is de adiabatische temperatuurverandering. Van metingen van de soortelijke
warmte in een aangelegd magnetische veld leiden we
voor Mn1,24Fe0,71P0,46Si0,54 een adiabatische ∆T van
ongeveer 3K bij 320 K, bij een veldverandering van 1 T.
Dit resultaat komt zeer dicht bij eerdere resultaten met
Mn1,1Fe0,9P0,47As0,53 en Gd.
Cassette Fancoils
Airview Luchtbehandeling is uw totaalleverancier in klimaatoplossingen.
Door middel van ons uitgebreid leveringsprogramma kunnen wij u de oplossing
bieden voor ieder klimaatprobleem.
Conclusies
Magnetocalorische koeling is een opkomende technologie, de thermodynamische kringloop is vergelijkbaar met
de gascompressiekringloop en het aantal koelkastontwerpen neemt snel toe. Dit toenemende aantal ontwerpen weerspiegelt de groeiende belangstelling voor
alternatieven voor de huidige dampcompressietechnologie.
De tweede belangrijke ontwikkeling is de verbetering
van het begrip van magnetocalorische effecten in
materialen die een FOMT vertonen zonder symmetrieverandering. Dit maakt het mogelijk dat binnenkort
materialen beschikbaar zijn die sterke magnetocalorische effecten vertonen in velden van minder dan 1 T.
Hierdoor kunnen deze velden veel goedkoper gegenereerd worden door permanente magneetmaterialen
zoals ferriet of AlNiCo. Hierdoor worden commercieel
concurrerende warmtepompen toepasbaar.
Dit werk maakt deel uit van het Industrial Partnership
Program IPP I18 van de Stichting voor Fundamenteel
Onderzoek der Materie (FOM), Nederland, en medegefinancierd door BASF Future Business.
¹) Verklaring chemische symbolen: zie kader.
Nomenclatuur
B
R
T
Sm
C
M
magnetische inductie (T)
molaire gasconstante
(8,314 472 J·mol-1·K-1)
temperatuur (K)
magnetische entropie
(J·kg-1·K-1)
soortelijke warmte
(J·kg-1·K-1)
magnetisatie (A·m2·kg-1)
Over de auteurs
E. Brück, N.H. Dung, Z.Q. Ou, L. Caron, L. Zhang en
K.H.J. Buschow
Delft University of Technology, Fundamental Aspects of
Materials and Energy, Faculty of Applied Sciences, Delft,
NL2629 JB 15, The Netherlands, [email protected]
SKYSTAR SK CASSETTE FANCOILS
De nieuwe SkyStar SK fancoils onderscheiden
zich door het zeer moderne design, het lage
geluidsniveau en de energiezuinige werking.
De belangrijkste kenmerken:
t$PNQBDUFO[FFSNPEFSOPOUXFSQ
tNPEFMMFOYPGY
t,PFMWFSNPHFOL8
t7FSXBSNJOHTWFSNPHFOL8
t5FWFOTMFWFSCBBSNFU&$WFOUJMBUPSNPUPS
t$BTTFUUFSPPTUFSTPQUJPOFFMMFWFSCBBSJO
3"-LMFVSOBBSLFV[F
ENNIS
MAAK K
ZE UNIT
MET DE
VAN
ND 331
OP STA
IE
A
L
TAL T
DE INS
S
R
U
VAKBE
!
NBERG
HARDE
Bij ons kunt u terecht voor méér dan
alleen de levering van uw apparatuur.
Ook advies en ondersteuning in alle
fases van uw project vormen voor
ons een belangrijk onderdeel van de
totaaloplossing.
Scan de QR-code met
uw smartphone of tablet
voor meer informatie!
Anders denken in klimaatoplossingen
ADVISERING I ONDERSTEUNING I TOTAALOPLOSSING
Airview Luchtbehandeling BV I 078 - 652 18 00 I www.airview.nl
106 e JAARGANG SEPTEMBER 2013
43