Manyetik soğutma

Manyetik soğutma, manyetokalorik etkiye dayalı bir soğutma teknolojisidir. Bu teknik, son derece düşük sıcaklıkların yanı sıra yaygın buzdolaplarında kullanılan sıcaklık aralıklarını elde etmek için kullanılabilir.^[1]^[2]^[3]^[4]

Etki ilk olarak 1881'de Alman fizikçi Emil Warburg, ardından Fransız fizikçi P. Weiss ve İsviçreli fizikçi A. Piccard tarafından 1917'de izlendi.^[5] Temel ilke P. Debye (1926) ve W. Giauque tarafından (1927)’de öne sürüldü.^[6]

İlk çalışan manyetik buzdolapları, 1933'ten başlayarak birkaç grup tarafından yapıldı. Manyetik soğutma, yaklaşık 0.3 K'nin altında soğutma için geliştirilen ilk yöntemdi (³He buharlarını pompalayarak ulaşılabilen bir sıcaklık).

Manyetik soğutucular

Manyetokalorik Etki

Artan veya azalan bir manyetik alan altında bulunan, manyetik malzemenin entropisindeki değişimden kaynaklanan adyabatik sıcaklık değişimine Manyetokalorik etki (MKE) denir. MKE ilk defa E. Warburg tarafından 1881 yılında demir üzerinde gözlenmiştir. Ancak MKE’nin doğası ve kullanım alanları, birbirinden bağımsız bir halde Peter Debye ve William Giauque tarafından 1920’lerin ortasında bulundu. Manyetik Soğutucu kavramı ise yine Giauque ve MacDougall tarafından 1930’ların başında ortaya atıldı. MKE’nin kullanım alanları ortaya çıktıkça ve manyetik soğutuculara ilgiarttıkça, kullanılan paramanyetik tuzlar yerine, MKE’nin daha çok gözlemleneceği malzemeler araştırılmaya başlandı.

1990’ların sonunda Gd ve Dy metallerinin ve alaşımlarının termomanyetik özelliklerinden dolayı manyetik rejeneratörlerde malzeme olarak kullanılabilecek en iyi elementler olduğu bulundu.

Sistemin Üstünlükleri

Sistemin en önemli üstünlüklerinden biri, soğutucu sıvının aynı zamanda sistemin rejeneratörü olmasıdır. Bu sayede sistem verimi artmaktadır. Ayrıca soğuk hava rezervi olarak oda sıcaklığının kullanılması da büyük bir enerji tasarrufu sağlamaktadır. Sistemin devamlılığını sağlayan sıvı olarak %80 su ve %20 etil kullanılabilmesi kullanılan malzemelerin bulunabilirliğini artırmaktadır.

Sistem Verimliliği

de şematik olarak resmedilmiş olan makine düşük frekanslarda çalışmakta ve 600W soğutma gücü üretmektedir. Verimliliği ise 5T’lık manyetik alanda %60’a varmaktadır (Pecharsky, 1999). 1.5T’lık alan altında ise verimlilik %30 civarlarındadır (Pecharsky, 1999). Sırasıyla, 5 ve 1.5T’lık manyetik alanlar için performans katsayıları, 15 ve 3’tür. Bu nedenle manyetik soğutucuların, gelecekte şu an genel kullanımda olan gazın sıkıştırılması ve genleşmesi prensibiyle çalışan soğutucuların yerlerini alacaklarına kesin gözüyle bakılmaktadır.

Sistemin İşleyişi

Aktif Manyetik Rejeneratör Döngüsü

1- Manyetik alan, B(B≠0) değerinden 0 değerine düşürülerek, manyetokalorik malzemenin bulunduğu yatak adyabatik olarak demanyetize edilir.
2- Sıvı, pompa yardımıyla sıcak hava rezervinden soğuk hava rezervine yatak üzerinden geçirilir. Yatağa girerken sıvının sıcaklığı Tf’dir . Tf ise sıcak hava rezervinin sıcaklığına eşittir (Tf = TH).
3-Sıvı yatağa girdikten sonra, yatakla ısı alışverişi olur ve sıvının sıcaklığı Tf,C ‘ye düşer. Bu sıcaklık soğuk hava rezervininkinden bir hayli düşüktür (Tf,C< TC).
4-Sıcak hava rezervine giren sıvı, QC kadar bir ısı alır ve QC soğutucunun soğutma gücünü temsil eder.

Qc=mfCf dTf,C (dTf,C=TC-Tf,C)

5- Manyetik alan 0 değerinden B değerine yükseltilir ve yatak adyabatik olarak manyetize edilir.
6- Sıvı soğuk hava rezervinden sıcak hava rezervine doğru pompa yardımıyla iletilir. Soğuk hava rezervinden ayrılırken sıvının sıcaklığı TC’dir. Manyetokalorik etkiyle sıcaklığı yükselmiş olan yatağa giren sıvının sıcaklığı Tf,H’ye yükselir ve sıvının sıcaklığı, sıcak hava rezervininkinden (TH) yüksek bir değere ulaşır.

çalışma prensibi (Pecharsky,1999)

7- Sıcak hava rezervine giren sıvı, rezerve ısı bırakır ve döngü baştan başlar.

Çalışmalar

Yurtdışındaki Araştırmalar

Manyetik Soğutucular üzerine yurtdışında,¨gerek üniversitelerde gerekse özel sektörde yüzlerce araştırma grubu çalışmaktadır. MS için en çok bütçe ayıran ülkeler

arasında ABD ve Japonya gelmektedir. Özellikle ABD, NASA aracılığı ile MS konusunda öncü araştırmalar yapmakta ve DOE’nin destekleriyle bu teknolojiyi evlere kadar getirmeye çalışmaktadır. Bütün dünya çapında MS konusuna ilgi gittikçe artmakta ve bu teknolojinin önemi gün geçtikçe anlaşılmaktadır. Gerek doğal dengeye daha az zarar vermesi, gerekse yüksek verimle çalışan sistemiyle MS, bütün dünya ülkeleri açısından zaman geçtikçe daha çok araştırma bütçesi ayrılan bir konu olmuştur.

Türkiye'deki Araştırmalar

Türkiye'de de MS konusunda son birkaç yıldır çalışmalar başlamış ve sayıları şu an için çok olmasa da araştırma grupları kurulmaya başlanmıştır. Türkiye'de büyük sanayi merkezleri bulunmaktadır ve eğer MS teknolojisi öncelikli olarak sanayide kullanılmaya başlanırsa, yüksek bir enerji tasarrufu ve daha temiz bir çevre elde edilebilir. Bu nedenlerden dolayı Türkiye'de MS konusunda yapılan çalışmalara destek verilmesi ve yeni çalışmalar başlatılması gerekmektedir.

Manyetik Soğutucuların Geleceği

Şu an kullandığımız soğutucuların aksine teknolojik gelişimi daha bitmemiş olan manyetik soğutucular, üzerinde çalışmalar yapıldıkça daha verimli bir hale getirilebilecektir. Daha çok bütçe ayrıldıkça malzeme araştırmaları yapan grupların, daha verimli malzemeler bulacağına kesin gözüyle bakılmaktadır. Ayrıca hidrojen gelecekte bir yakıt olarak yerini almakta ve MS ise hidrojen yakıtı üretmekte kullanılabilmektedir. Uygulandığı takdirde, yüksek enerji verimliliği ve düşük çevre kirliliği sağlayacağından dolayı MS, üzerinde araştırma yapılması gereken bir konudur.

Room temperature magnetic refrigerators
Institute/Company	Location	Announcement date	Type	Max. cooling power (W)^[1]	Max ΔT (K)^[2]	Magnetic field (T)	Solid refrigerant	Quantity (kg)
Ames Laboratory/Astronautics^[7]	Ames, Iowa/Madison, Wisconsin, USA	February 20, 1997	Reciprocating	600	10	5 (S)	Gd spheres
Mater. Science Institute Barcelona^[8]	Barcelona, Spain	May 2000	Rotary	?	5	0.95 (P)	Gd foil
Chubu Electric/Toshiba^[9]	Yokohama, Japan	Summer 2000	Reciprocating	100	21	4 (S)	Gd spheres
University of Victoria^[10]^[11]^[12]	Victoria, British Columbia Canada	July 2001	Reciprocating	2	14	2 (S)	Gd & Gd_1−xTb_x L.B.
Astronautics^[13]	Madison, Wisconsin, USA	September 18, 2001	Rotary	95	25	1.5 (P)	Gd spheres
Sichuan Inst. Tech./Nanjing University^[14]	Nanjing, China	23 April 2002	Reciprocating	?	23	1.4 (P)	Gd spheres and Gd₅Si_1.985Ge_1.985Ga_0.03 powder
Chubu Electric/Toshiba^[15]	Yokohama, Japan	October 5, 2002	Reciprocating	40	27	0.6 (P)	Gd_1−xDy_x L.B.
Chubu Electric/Toshiba^[15]	Yokohama, Japan	March 4, 2003	Rotary	60	10	0.76 (P)	Gd _1−xDy_x L.B.	1
Lab. d’Electrotechnique Grenoble^[16]	Grenoble, France	April 2003	Reciprocating	8.8	4	0.8 (P)	Gd foil
George Washington University	USA	July 2004	Reciprocating	?	?	? (P)	Gd foil
Astronautics^[17]	Madison, Wisconsin, USA	2004	Rotary	95	25	1.5 (P)	Gd and GdEr spheres / La(Fe_0.88Si_0.12)₁₃H_1.0
University of Victoria^[18]	Victoria, British Columbia Canada	2006	Reciprocating	15	50	2 (S)	Gd, Gd_0.74Tb_0.26 and Gd_0.85Er_0.15 pucks	0.12
¹maximum cooling power at zero temperature difference (ΔT=0); ²maximum temperature span at zero cooling capacity (W=0); L.B. = layered bed; P = permanent magnet; S = superconducting magnet

In one example, Prof. Karl A. Gschneidner, Jr. unveiled a proof of concept magnetic refrigerator near room temperature in February 20, 1997. He also announced the discovery of the giant MCE (GMCE) in $Gd_{5}Si_{2}Ge_{2}$ on June 9, 1997 [5]^{[ölü/kırık bağlantı]} (see below). Since then, hundreds of peer-reviewed articles have been written describing materials exhibiting magnetocaloric effects. -->

Kaynakça

Lounasmaa, Experimental Principles and Methods Below 1 K, Academic Press (1974).
Richardson and Smith, Experimental Techniques in Condensed Matter Physics at Low Temperatures, Addison Wesley (1988).

Notlar

^ França, E.L.T.; dos Santos, A.O.; Coelho, A.A. (2016). "Magnetocaloric effect of the ternary Dy, Ho and Er platinum gallides". Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 401: 1088-1092. Bibcode:2016JMMM..401.1088F. doi:10.1016/j.jmmm.2015.10.138.
^ Brück, E. (2005). "Developments in magnetocaloric refrigeration". Journal of Physics D: Applied Physics. 38 (23): R381-R391. Bibcode:2005JPhD...38R.381B. doi:10.1088/0022-3727/38/23/R01.
^ Khovaylo, V. V.; Rodionova, V. V.; Shevyrtalov, S. N.; Novosad, V. (2014). "Magnetocaloric effect in "reduced" dimensions: Thin films, ribbons, and microwires of Heusler alloys and related compounds". Physica Status Solidi B. 251 (10): 2104. Bibcode:2014PSSBR.251.2104K. doi:10.1002/pssb.201451217.
^ Gschneidner, K. A.; Pecharsky, V. K. (2008). "Thirty years of near room temperature magnetic cooling: Where we are today and future prospects". International Journal of Refrigeration. 31 (6): 945. doi:10.1016/j.ijrefrig.2008.01.004. 15 Temmuz 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 15 Temmuz 2021.
^ Weiss, Pierre; Piccard, Auguste (1917). "Le phénomène magnétocalorique". J. Phys. (Paris). 5th Ser. (7): 103-109.
Smith, Anders (2013). "Who discovered the magnetocaloric effect?". The European Physical Journal H. 38 (4): 507-517. Bibcode:2013EPJH...38..507S. doi:10.1140/epjh/e2013-40001-9.
^ Zemansky, Mark W. (1981). Temperatures very low and very high. New York: Dover. s. 50. ISBN 0-486-24072-X.
^ Zimm C, Jastrab A., Sternberg A., Pecharsky V.K., Gschneidner K.A. Jr., Osborne M. and Anderson I., Adv. Cryog. Eng. 43, 1759 (1998).
^ Bohigas X., Molins E., Roig A., Tejada J. and Zhang X.X., IEEE Trans. Magn. 36 538 (2000).
^ Hirano N., Nagaya S., Takahashi M., Kuriyama T., Ito K. and Nomura S. 2002 Adv. Cryog. Eng. 47 1027
^ Rowe A.M. and Barclay J.A., Adv. Cryog. Eng. 47 995 (2002).
^ Rowe A.M. and Barclay J.A., Adv. Cryog. Eng. 47 1003 (2002).
^ Richard M.A., Rowe A.M. and Chahine R., J. Appl. Phys. 95 2146 (2004).
^ Zimm C, Paper No K7.003 Am. Phys. Soc. Meeting, March 4, Austin, Texas (2003) [1] 29 Şubat 2004 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
^ Wu W., Paper No. K7.004 Am. Phys. Soc. Meeting, March 4, Austin, Texas (2003) [2] 29 Şubat 2004 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
^ ^a ^b Hirano N., Paper No. K7.002 Am. Phys. Soc. Meeting March 4, Austin, Texas, [3] 29 Şubat 2004 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
^ Clot P., Viallet D., Allab F., Kedous-LeBouc A., Fournier J.M. and Yonnet J.P., IEEE Trans. Magn. 30 3349 (2003).
^ Zimm C, Paper No. K7.003 Am. Phys. Soc. Meeting, March 4, Austin, Texas (2003) [4] 29 Şubat 2004 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
^ Rowe A.M. and Tura A., International Journal of Refrigeration 29 1286-1293 (2006).

22. E. Yüzüak, Journal Of Alloys Compounds, 476 (2009)929

Ayrıca bakınız

Dış bağlantılar

NASA - How does an Adiabatic Demagnetization Refrigerator Work ? 24 Haziran 2009 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
What is magnetocaloric effect and what materials exhibit this effect the most? 17 Temmuz 2009 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
Magnetocaloric materials keep fridges cool by C. Wu 23 Nisan 2009 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
Ames Laboratory news release, May 25, 1999, Work begins on prototype magnetic-refrigeration unit.
Magnetic refrigerator successfully tested 14 Temmuz 2009 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
Refrigeration Systems Terry Heppenstall's notes, University of Newcastle Upon Tyne (November 2000)
XRS Adiabatic Demagnetization Refrigerator
Executive Summary(.doc format) A Continuous Adiabatic Demagnetization Refrigerator (29 Mayıs 2003 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)
Origin and tuning of the magnetocaloric effect in the magnetic refrigerant Mn1.1Fe0.9(P0.8Ge0.2)

[1] França, E.L.T.; dos Santos, A.O.; Coelho, A.A. (2016). "Magnetocaloric effect of the ternary Dy, Ho and Er platinum gallides". Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 401: 1088-1092. Bibcode:2016JMMM..401.1088F. doi:10.1016/j.jmmm.2015.10.138.

[doi10.1088/0022-327/38/23/R01-2] Brück, E. (2005). "Developments in magnetocaloric refrigeration". Journal of Physics D: Applied Physics. 38 (23): R381-R391. Bibcode:2005JPhD...38R.381B. doi:10.1088/0022-3727/38/23/R01.

[auto-3] Khovaylo, V. V.; Rodionova, V. V.; Shevyrtalov, S. N.; Novosad, V. (2014). "Magnetocaloric effect in "reduced" dimensions: Thin films, ribbons, and microwires of Heusler alloys and related compounds". Physica Status Solidi B. 251 (10): 2104. Bibcode:2014PSSBR.251.2104K. doi:10.1002/pssb.201451217.

[auto1-4] Gschneidner, K. A.; Pecharsky, V. K. (2008). "Thirty years of near room temperature magnetic cooling: Where we are today and future prospects". International Journal of Refrigeration. 31 (6): 945. doi:10.1016/j.ijrefrig.2008.01.004. 15 Temmuz 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 15 Temmuz 2021.

[Weiss_103–109-5] Weiss, Pierre; Piccard, Auguste (1917). "Le phénomène magnétocalorique". J. Phys. (Paris). 5th Ser. (7): 103-109.
Smith, Anders (2013). "Who discovered the magnetocaloric effect?". The European Physical Journal H. 38 (4): 507-517. Bibcode:2013EPJH...38..507S. doi:10.1140/epjh/e2013-40001-9.

[6] Zemansky, Mark W. (1981). Temperatures very low and very high. New York: Dover. s. 50. ISBN 0-486-24072-X.

[7] Zimm C, Jastrab A., Sternberg A., Pecharsky V.K., Gschneidner K.A. Jr., Osborne M. and Anderson I., Adv. Cryog. Eng. 43, 1759 (1998).

[8] Bohigas X., Molins E., Roig A., Tejada J. and Zhang X.X., IEEE Trans. Magn. 36 538 (2000).

[9] Hirano N., Nagaya S., Takahashi M., Kuriyama T., Ito K. and Nomura S. 2002 Adv. Cryog. Eng. 47 1027

[10] Rowe A.M. and Barclay J.A., Adv. Cryog. Eng. 47 995 (2002).

[11] Rowe A.M. and Barclay J.A., Adv. Cryog. Eng. 47 1003 (2002).

[12] Richard M.A., Rowe A.M. and Chahine R., J. Appl. Phys. 95 2146 (2004).

[13] Zimm C, Paper No K7.003 Am. Phys. Soc. Meeting, March 4, Austin, Texas (2003) [1] 29 Şubat 2004 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.

[14] Wu W., Paper No. K7.004 Am. Phys. Soc. Meeting, March 4, Austin, Texas (2003) [2] 29 Şubat 2004 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.

[aps.org-15] Hirano N., Paper No. K7.002 Am. Phys. Soc. Meeting March 4, Austin, Texas, [3] 29 Şubat 2004 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.

[16] Clot P., Viallet D., Allab F., Kedous-LeBouc A., Fournier J.M. and Yonnet J.P., IEEE Trans. Magn. 30 3349 (2003).

[17] Zimm C, Paper No. K7.003 Am. Phys. Soc. Meeting, March 4, Austin, Texas (2003) [4] 29 Şubat 2004 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.

[18] Rowe A.M. and Tura A., International Journal of Refrigeration 29 1286-1293 (2006).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]