Рабочее тело магнитной холодильной машины на основе магнитных полиядерных комплексов

 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в магнитных холодильных машинах, работающих в области температур ниже 30 К. Рабочее тело магнитной холодильной машины представляет собой суперпарамагнитный материал на основе магнитных полиядерных комплексов переходных металлов. Такой материал характеризуется высоким значением изменения магнитной части энтропии под действием магнитного поля, что необходимо для повышения эффективности работы магнитных холодильных машин в области температур ниже 30 К. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Использование: низкотемпературные рефрижераторы, работающие на основе магнитокалорического эффекта.

Сущность изобретения: рабочее тело выполнено из суперпарамагнитного материала на основе полиядерных магнитных комплексов переходных металлов.

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в магнитных холодильных машинах, работающих в области температур ниже 30 К.

Известно рабочее тело магнитной холодильной машины, работающей в области температур ниже 20 К, представляющее собой гадолиний галлиевый гранат (Gd3Ga5O12), являющийся выше температуры 0,8 К парамагнетиком [1]. Однако такой материал имеет недостаточную величину изменения магнитной части энтропии под действием магнитного поля Sм, являющуюся основным параметром при оценке пригодности материала для нужд магнитного охлаждения. Это ведет к недостаточной эффективности охлаждения и низкой эффективности известных магнитных холодильных машин, работающих ниже температуры 20 К, в целом. Необходимо также отметить сложность получения и дороговизну этого материала.

Наиболее близким к изобретению является способ магнитного охлаждения с помощью суперпарамагнетика, изложенный в патенте США N 5381664 [2]. В этом патенте было обосновано явление возрастания величины магнитокалорического эффекта в суперпарамагнитной системе. В качестве такой системы было предложено использовать материал, состоящий из магнитных частиц с предпочтительным размером 1-1000 нм. Суперпарамагнитный материал использовался в магнитной холодильной машине с возвратно-поступательным или вращательным движением рабочего тела в области магнитного поля с целью его переменного намагничивания и размагничивания. Однако не были указаны какие-либо конкретные примеры и характеристики частиц, используемых в рабочем теле, и термодинамические параметры, характеризующие его пригодность для магнитного охлаждения.

Цель данного изобретения - повышение эффективности магнитных холодильных машин, работающих в области температур ниже 30 К.

Поставленная цель достигается тем, что рабочее тело магнитной холодильной машины выполнено из материала на основе магнитных полиядерных комплексов переходных металлов. Способы получения магнитных полиядерных комплексов описаны в литературе (см., напр. [4]). Полиядерные комплексы переходных металлов представляют собой макромолекулы размером ~2-5 нм, включающие в себя значительное число магнитных ионов (например, 3d-металлы Mn, Fe, Ni), имеющие внутримолекулярное магнитное упорядочение и характеризуемые значительным суммарным спином и магнитным моментом. Так, спин S молекул окиси ацетата Mn2 ([Mn12O12(CH3COO)16(H2O)4] 2CH3COOOH 4H2O) равен 10, что соответствует магнитному моменту молекулы ~20,5 B [3], а спин молекулы Mn10 ([Mn10O4(biphen)4Cl12] ) имеет величину S = 14 [5]. Теоретические оценки показывают, что возможно существование устойчивых полиядерных комплексов марганца с суммарным магнитным моментом молекулы 40 B, что соответствует спину 20 [6, 7]. Материалы на основе известных магнитных полиядерных комплексов проявляют суперпарамагнитные свойства при температуре выше ~3-4 К. Внутримолекулярное магнитное упорядочение и, следовательно, большой магнитный момент молекулы сохраняется вплоть до 30 К. Межмолекулярные магнитные взаимодействия малы, что приводит к низким температурам Кюри и суперпарамагнитному поведению системы из полиядерных магнитных комплексов в области температур выше 3-4 K. Известно [2], что суперпарамагнитная система характеризуется значительно большим, чем обычный парамагнетик, изменением магнитной части энтропии. Это обстоятельство в сочетании с большим значением спина суперпарамагнитной частицы (полиядерного комплекса) обеспечивает высокие значения SМ в области температур ниже 30 К, значительно большие, чем у известных в настоящее время галлиевых гранатов редкоземельных металлов (R3Ga5O12). На фиг. 1 приведены расчетные данные по изменению магнитной части энтропии для окиси ацетата Mn12 (S = 10) и Mn10 (S = 14), а также для сравнения экспериментальные данные для ErAlO3 [8], гадолиний галлиевого граната (GGG) [1, 9] и гадолиний галлиевого граната, легированного железом (GGIG) [8]. Видно, что абсолютная величина SМ в материалах на основе полиядерных магнитных кластеров значительно выше, чем в известных и считающихся перспективными на сегодняшний день в области температур ниже 20 К материалах.

Кроме того, магнитные полиядерные комплексы характеризуются монодисперсностью и совершенством внутренней структуры, что важно для обеспечения однородности магнитных свойств в рабочем теле. Они могут быть достаточно легко встроены в немагнитный высокопористый носитель типа Al2O3 или SiO2, а также полимерные матрицы (полиэтилен, тефлон и т.п.). Последнее весьма важно для работы магнитных холодильных машин, где для эффективного теплообмена необходимо обеспечить контакт хладагента с возможно большей поверхностью рабочего тела и при этом возможно нежелательное истирание порошка рабочего тела при контакте частиц друг с другом и унос мельчайших частиц с потоком хладагента.

Предлагаемое рабочее тело может применяться в магнитных холодильных машинах, работающих до температур 4,2 K и ниже, а также в установках, предназначенных для получения жидкого гелия.

Источники информации 1. Hakuraku Y., Ogata H. - J. Appl. Phys., 1985, v. 24, N 11, 1548.

2. Патент США N 5381664, 17 января 1995.

3. Barra A.L., Gatteschi D., Sessoli R. Phys. Rev. B, 1997, v. 56, N 13, 8192.

4. Sessoli R., Tsai H.L., Schake A.R., Wang S., Vincent J.B., Folting K. , Gatteschi D., Christou G., Hendrickson D.N. - J. Am. Chem. Soc., 1993, v. 115, 1804.

5. Goldberg D.P., Caneshi A., Lippard S.J.-J. Am. Chem. Soc., 1993, v. 115, 9299.

6. Pederson M. R. , Reuse F., Khanna S.N. - Phys. Rev. B, v. 58, N 9, 5632.

7. Nayak S.K., Jena P.-Phys. Rev. Lett., 1998, v. 81, N 14, 2970.

8. Kimura H., Numazawa Т., Sato M., Ikeya Т., Fukuda Т. - J. Appl. Phys. , 1995, v. 77,1.

9. Shull R. D. , McMichael R.D., Ritter J.J. - Nanostructured Mater., 1993, v. 2, 205.

Формула изобретения

1. Рабочее тело магнитной холодильной машины, представляющее собой магнитный порошкообразный материал, отличающееся тем, что в качестве магнитного материала используются суперпарамагнитные полиядерные комплексы переходных металлов.

2. Рабочее тело магнитной холодильной машины по п.1, отличающееся тем, что упомянутые полиядерные комплексы содержат 3d переходные металлы, такие как Fe, Ni, Mn, Cr, редкоземельные 4f металлы, такие как Nd, Gd, Tb, Тm, или их смеси.

3. Рабочее тело магнитной холодильной машины по п.1, отличающееся тем, что упомянутые полиядерные комплексы переходных металлов используются в свободном виде.

4. Рабочее тело магнитной холодильной машины по п.1, отличающееся тем, что упомянутые полиядерные комплексы переходных металлов нанесены на немагнитные носители, как неорганические (Аl2О3, SiO2 и т.п.), так и полимерные (полиэтилен, тефлон и т.п.).

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 30.05.2002

Номер и год публикации бюллетеня: 11-2004

Извещение опубликовано: 20.04.2004        




 

Похожие патенты:

Изобретение относится к холодильной технике и технологии

Изобретение относится к области устройства и работы вихревых труб, предназначенных для получения холодных или горячих потоков газа

Изобретение относится к гидропневмоавтоматике

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к способу выделения из природного газа сжиженных углеводородных газов, например пропанбутановых фракций

Изобретение относится к криогенной технике и криогенным холодильным машинам, работающим по обратному циклу Стирлинга

Изобретение относится к криогенной технике и криогенным машинам, работающим по обратному циклу Стирлинга

Изобретение относится к области криогенной техники и криогенных холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга, может быть использовано в качестве установки для очистки воздуха в герметичных помещениях специальных фортификационных сооружений, подводных лодок, орбитальных станций и т.д

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в качестве комбинированной энергоустановки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой

Изобретение относится к холодильной технике для пищевой промышленности

Изобретение относится к системам охлаждения или нагрева воздуха локальной зоны пространства и предназначено для создания заданного температурного режима в комфортной зоне размещения людей, животных или предметов

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам, работа которых основана на эффекте Пельтье, и может быть использовано в различных технологических процессах любой отрасли промышленности, и в частности для нагрева или охлаждения движущихся жидкостей или газов

Изобретение относится к системам нагрева и охлаждения жидкости, а именно к устройствам, работа которых основана на эффекте Пельтье, и может быть использовано в машиностроении, автомобилестроении, в холодильной технике и медицине, а также в пищевой промышленности

Изобретение относится к области холодильной техники, в частности к устройству каскадных термоэлектрических охлаждающих систем, и может быть использовано для термостатирования объектов с нестационарным теплопоглощением, например пресс-форм для прессования нагретых до пластического состояния деталей путем подачи в пресс-формы охлажденного теплоносителя

Изобретение относится к средствам кондиционирования воздуха, преимущественно к кондиционерам салонов транспортных средств

Изобретение относится к теплоаккумулирующим составам и способам их получения для использования в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, с температурой фазового превращения 20-24°С
Наверх