Magnetisk kylning i kylskåp

TVE 10 017
Examensarbete 15 hp
Augusti 2010
Magnetisk kylning i kylskåp
Självständigt arbete i teknisk fysik med
materialvetenskap
Joel Hellsten
Emma Eriksson
Anna Johansson
Håkan Pettersson
Mikael Berg, Petter Tammela
Abstract
Magnetisk kylning i kylskåp
Magnetic refrigeration
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet
UTH-enheten
Besöksadress:
Ångströmlaboratoriet
Lägerhyddsvägen 1
Hus 4, Plan 0
Postadress:
Box 536
751 21 Uppsala
Telefon:
018 – 471 30 03
Telefax:
018 – 471 30 00
Hemsida:
http://www.teknat.uu.se/student
Joel Hellsten, Emma Eriksson, Anna Johansson, Håkan Pettersson, Mikael
Berg, Petter Tammela
Forskning och tillämpning av den magnetokaloriska effekten har intensifieras de
senaste åren. Prototyper av kylskåp med magnetokaloriska material har
konstrueras med blandat resultat, men utvecklingen går framåt och det är troligt att
tekniken kommer att kommersialiseras. För den lovar ett energisnålare och tystare
kylskåp.
Projektarbetet som har resulterat i denna rapport hade i uppgift att läsa
forskningsrapporter om magnetisk kylning för att få en uppfattning om det är möjligt
för tekniken att tillämpas i vanliga kylskåp. Det ser ut som att magnetisk kylning har
stora möjligheter att tillämpas och projektet rekommenderar det fiktiva företaget att
satsa på tekniken. Fast ännu krävs några års ytterligare forskning för att få fram ett
magnetokaloriskt material som uppfyller alla miljömässiga och ekonomiska krav för att
kunna kommersialisera en produkt för hushållsbruk.
Handledare: Klas Gunnarsson, Håkan Engqvist
Ämnesgranskare: Torgny Fornstedt
Examinator: Torgny Fornstedt
ISSN: 1401-5773, TVE 10 017
Uppsala Universitet
2010-08-31
!"#$%&'()*)+,$'$#*'*)+,()-.*
*
!!"#$%&/01'2#%
3/%,*4%,,(&%$*
566"*51')((/$*
7$$"*3/8"$((/$*
4-)"$*9%&&%1((/$*
!')"%,*:%1#*
9%&&%1*;"66%,"
1(20)
*
Uppsala Universitet
2010-08-31
<,=&1"../1&*>*!"#$%&'()*)+,$'$#*'*)+,()-.*
*
Executive Summary
MagnetoFridge har fått i uppdrag av MultiFridge att på papper konstruera ett
konkurrenskraftigt kylskåp med magnetisk kylning. Kylskåpet ska dra mindre el och ha en
lägre ljudnivå än dagens kompressorkylskåp. Detta har uppnåtts genom att studera
vetenskapliga rapporter inom området. Utifrån denna information konstruerades ett förslag på
ett kylskåp med magnetisk kylning.
Magnetisk kylning är baserad på den magnetokaloriska effekten (se appendix). Med tekniken
behövs inte längre kompressorn i kylskåpet. Detta är anledningen till att en lägre
elförbrukning och en lägre ljudnivå uppnås.
Projektgruppens förslag innebär att MagnetoFridge rekommenderas använda
MnFeP0.55Si0.30Ge0.15 som magnetokaloriskt material och Nd2Fe14B som permanentmagnet.
Som kylmedium föreslås en 10 % lösning av etanol i vatten.
Marknadsutsikterna för kylskåp med magnetisk kylning ser bra ut. Det nya kylskåpet kan
marknadsföras som ett exklusivt kylskåp med nya betydligt förbättrade egenskaper gentemot
dagens konventionella kylskåp. Prisnivån vid försäljning föreslås ligga ca 2500kr över dagens
kylskåp. Det högre priset motiveras med en lägre elförbrukning och lägre ljudnivå.
Vinstprognosen är 3,08 Mdkr/år beräknad på 5 % av världsmarknaden. Dock bedöms det ta 5
år innan MagnetoFridge kan lansera ett kylskåp med magnetisk kylning på marknaden.
2(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
?$$%8-,,(@A1&%B)$'$#
1. Inledning med frågeställning.................................................................................................. 4
2. Projektresultat......................................................................................................................... 4
3. Konstruktionsförslag .............................................................................................................. 5
3.1 Permanentmagnet ............................................................................................................. 7
3.2 Motor................................................................................................................................ 8
3.3 Magnetokaloriskt material................................................................................................ 8
3.4 Pump................................................................................................................................. 8
3.5 Fläkt.................................................................................................................................. 8
3.6 Värmeväxlare ................................................................................................................... 8
4. Det magnetokaloriska materialet............................................................................................ 8
4.1 Teknisk materialdata ........................................................................................................ 9
4.2 Framställning.................................................................................................................... 9
4.3 Miljö och hälsa ................................................................................................................. 9
4.4 Tillgänglighet ................................................................................................................... 9
4.5 Pris.................................................................................................................................. 10
5. Permanentmagneten ............................................................................................................. 10
5.1 Teknisk materialdata ...................................................................................................... 10
5.2 Framställning.................................................................................................................. 10
5.3 Miljö och hälsa ............................................................................................................... 10
5.4 Tillgänglighet ................................................................................................................. 11
5.5 Pris.................................................................................................................................. 11
6. Kylmedium........................................................................................................................... 11
6.1 Teknisk materialdata ...................................................................................................... 11
6.2 Miljö och hälsa ............................................................................................................... 11
6.3 Pris.................................................................................................................................. 11
7. Elförbrukning ....................................................................................................................... 12
7.1 Kylvätskepumpen........................................................................................................... 12
7.2 Elmotor........................................................................................................................... 12
7.3 Fläktar............................................................................................................................. 12
7.4 Sammanlagd förbrukning ............................................................................................... 12
8. Ljudnivå ............................................................................................................................... 12
9. Sammanfattning av materialvalen ........................................................................................ 13
10. Ekonomi ............................................................................................................................. 13
10.1 Marknadsutsikter .......................................................................................................... 13
10.2 Vinstprognos ................................................................................................................ 14
10.3 Tillverkningskostnader................................................................................................. 14
11. Patent .................................................................................................................................. 15
12. Sammanfattning ................................................................................................................. 15
13. Appendix ............................................................................................................................ 16
Den magnetokaloriska effekten............................................................................................ 16
Överslagsberäkning av kylkapacitet..................................................................................... 17
Magnetokaloriska materialets dimensioner.......................................................................... 18
Referenser................................................................................................................................. 19
3(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
1. Inledning med frågeställning
Den magnetokaloriska effekten (se appendix) upptäcktes år 1881 av Emil Warburg. År 1976
konstruerades den första prototypen av ett kylskåp med magnetisk kylning tillverkas och 1997
skedde upptäckten av en stor magnetokalorisk effekt i Gd2Si2Ge2 legeringen. Efter detta har
forskningen skjutit i höjden över hela världen. I början fokuserades det på att konstruera en
kylanordning som kan kyla ner mot 0 K. På senare tid har tekniken utvecklats vidare från att
vara en teknik som enbart används i forskningsmiljöer till att nu kunna användas i
kommersiella produkter. Tekniken är lämplig för kylskåp, luftkonditionering samt
elektronikutrustning.1
Företaget MultiFridge har startat dotterbolaget MagnetoFridge som ska undersöka om det är
tekniskt och ekonomiskt möjligt att börja tillverka hushållskylskåp som baseras på magnetisk
kylning. Mer exakt ska projektgruppen på papper konstruera ett konkurrenskraftigt kylskåp
med magnetisk kylning som drar mindre el och har en lägre ljudnivå än dagens
kompressorkylskåp.
Denna rapport besvarar frågan om MultiFridge ska implementera tillverkning av kylskåp som
baseras på den magnetokaloriska effekten i sin ordinarie verksamhet.
2. Projektresultat
Projektgruppen inom MagnetoFridge som har arbetat med denna fråga under två månaders tid
ger rekommendationen att genomföra en implementation. Tekniken med magnetisk kylning
ser lovande ut och bedöms passa väl in i MultiFridges ordinarie verksamhet. Den nya
tekniken kommer med stor sannolikhet uppfylla förhoppningarna om ett kylskåp som har
lägre elförbrukning och är tystare än dagens kompressorkylskåp. Bedömningen från
projektgruppen är att det finns en stor och lönsam marknad om man lyckas konstruera ett
kylskåp med magnetisk kylning som inte blir mer än 3000kr dyrare än dagens
kompressorkylskåp.
Forskningen på området magnetisk kylning har snabbt vuxit de senaste tio åren och
utvecklingen accelererar. Därför är det viktigt att MultiFridge ger resurser till MagnetoFridge
för forskning och utveckling så att företaget står redo i startblocket för att snabbt starta upp
tillverkning av detta nya slags kylskåp. Detta är ett måste om MultiFridge vill hävda sig i
konkurrensen. Projektgruppens prognos är att det första kylskåpet med magnetisk kylning
finns på marknaden om fem år och då bör MagnetoFridge vara med. Nästa steg för
MagnetoFridge är att ta fram en prototyp.
Projektgruppen har tagit fram ett förslag på ett kylskåp med magnetisk kylning som gruppen
anser är den mest lämpliga lösningen idag, men som behöver vidareutvecklas. MagnetoFridge
rekommenderas att använda dessa material och konstruktionsförslag.
4(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
3. Konstruktionsförslag
Grundtanken med konstruktionen är att den ska vara robust med få rörliga delar. I figur 1.
visas en skiss av kylanordningen. I figur 2. syns kylanordningen ovanifrån sett.
Här följer noggrannare beskrivning av konstruktionen. En elmotor roterar en arm där
permanentmagneten är fäst i ena änden och en motvikt i den andra änden. Det
magnetokaloriska materialet (MK) är stationärt. Till MK materialet pumpas ett konstant flöde
av kylmedium. Flödet från MK materialet kan ta två vägar. Av dessa två vägar är endast en
väg öppen i taget. Ventilen reglerar vilken väg som är öppen. MK materialet är antingen i
magnetfältet eller ur magnetfältet. Då MK materialet befinner sig i magnetfältet blir kylmediet
uppvärmt och då tar kylmediet den vänstra vägen (se figur 1.). Denna väg leder till
värmeväxlaren (VVX) som leder bort denna värme. Då MK materialet befinner sig ur
magnetfältet blir kylmediet nedkylt och tar den högra vägen ut till kylutrymmet. De båda
vägarna möts innan de åter kommer tillbaka till pumpen.
Rotationshastigheten för permanentmagneten är vald till 4 Hz. Vid en hög frekvens
magnetiseras det magnetokaloriska materialet ofta och mycket kyla kan produceras per
tidsenhet. Därför är det önskvärt att ha en så hög frekvens som möjligt. I många av de
prototyper som världens forskare har byggt används en frekvens på 4 Hz. Därför anser
projektgruppen att även MagnetoFridge kan använda sig av en frekvens på 4 Hz.2
Figur 1. Principskiss över konstruktionen som har få rörliga delar och är robust.
5(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
Figur 2. Kylanordningen är placerad i botten på det magnetiska kylskåpet.
6(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
3.1 Permanentmagnet
Sektioner av permanentmagneter används. Dessa sektioner har dimensionerna 0,2 cm x 1,0
cm x 2,0 cm (se figur 3.). 16 sektioner kommer att placeras efter varandra så en platta med
total längd av 32,0 cm uppnås (se figur 4.). Två plattor som är krökta, placerade 5,0 cm isär,
kommer att användas för att emellan dem alstra magnetfältet (se figur 5.). Vardera platta har
dimensionen 0,2 cm x 1 cm x 32,0 cm och är placerade med ett 5 cm gap mellan dem (se
Figur 2.).
Företaget ChenYang Magnetics i Kina tillverkar magneter.3 De har ett stort sortiment av olika
sorters magneter och har således stor erfarenhet av tillverkning. Projektgruppen anser att
ChenYang Magnetics uppfyller de krav som ställs på leverantör av permanentmagnet.
Figur 3. En sektion av permanentmagneten.
Figur 4. En platta av permanentmagneten, bestående av 16 sektioner.
Figur 5. En krökt platta av permanentmagneten.
7(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
3.2 Motor
Motorn drivs med 24V DC och roterar permanentmagneten med en frekvens av 4 Hz.
Elmotorn har en höjd på 8 cm, längd på 19,5 cm och en bredd på 5,8 cm. Motorn kan ge ett
moment på 0,95 Nm och en uteffekt på 15 W.4
3.3 Magnetokaloriskt material
För att uppnå önskad effekt behövs 800 g av det magnetokaloriska materialet. Det är utformat
på ett sådant sätt att det ryms mellan gapet av de två plattor som utgör permanentmagneten.
Det magnetokaloriska materialet har dimensionen 1,0 cm x 4,7 cm x 32,0 cm. (se appendix)
3.4 Pump
Kylvätskepumpen från den tyska tillverkaren Eheim har en pumpkapacitet på 250 liter/timme
och har en elförbrukning på 10W.5
3.5 Fläkt
Fläktenheten består av två fläktar som vardera har en kapacitet på 2,25 m3/min och mycket
lång livslängd.6
3.6 Värmeväxlare
Värmeväxlaren är en plattvärmeväxlare. Den kyler flödet med luft som fläktas bort från
kylskåpet.
4. Det magnetokaloriska materialet
Tidigt bestämde sig projektgruppen för att söka efter ett magnetokaloriskt material som inte
innehåller någon sällsynt jordartsmetall, vilket tidigare har varit vanligt. Detta för att säkra
materialtillgången vid storskalig produktion och undvika de prisfluktuationer som sällsynta
jordartsmetaller har.7
I de första konstruktionerna användes gadolinium som magnetokaloriskt material. Fördelen
med gadolinium är att det inte har någon termisk hysteres.8 Den stora nackdelen med
gadolinium är tillgången och priset eftersom det är en sällsynt jordartsmetall. Dessutom har
gruvbrytningen av sällsynta jordartsmetaller en negativ verkan på miljön.
De parametrar vi valt att studera är den magnetiska entropiändringen, -!S, curietemperaturen,
Tc och den termiska hysteresen. -!S är ett mått på skillnaden i entropi för systemet. Enkelt
uttryckt kan man säga att det är ett mått på oordning. Det avgör i detta fall hur stor kyleffekt
som kan uppnås med det magnetokaloriska materialet. Den termiska hysteresen avgör hur
stora effektförluster som erhålls i en magnetcykel. Vid curietemperaturen sker en
fasomvandling hos det magnetokaloriska materialet vilket ger temperaturförändringen. En
optimal kombination av dessa parametrar är hög -!S, låg termisk hysteres och en
curietemperatur nära rumstemperatur.
8(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
4.1 Teknisk materialdata
Projektgruppen har valt MnFeP0.55Si0.30Ge0.15 som magnetokaloriskt material.
-!S = 16 J/kgK (magnetfält 0-2 T).
Curie temp. = 292 K
Termisk hysteres = 9 K 9
För att erhålla lämplig kyleffekt krävs 800g av materialet i konstruktionen. (se appendix för
beräkningar) För god värmeöverföring ska materialet även vara poröst eftersom kylmediet
flödar igenom det.10
4.2 Framställning
Projektgruppen rekommenderar att det magnetokaloriska materialet framställs genom Ball
Milling eftersom denna framställningsmetod ger en mycket bra slutprodukt. Fördelar med
Ball Milling är att det är billigt eftersom det är möjligt att göra stora satser per omgång och
processen har relativt låga underhållskrav. Nackdelen med processen är dock att den tar lång
tid och det framställda pulvret kan uppvisa skillnader i sammansättning.11 12
4.3 Miljö och hälsa
Det finns ingen grundlig studie angående toxicitet av just denna komposition av legeringen.
Dock finns ingen toxicitet hos Fe2P-föreningar vilket utgör grunden för legeringen.
Vid eventuell korrosion av det magnetokaloriska materialet kommer joner att lösas ut i
kylmediet. Eftersom det rör sig om ett slutet system kommer detta endast att utgöra ett
problem vid kassering av kylskåpet. Det kommer att röra sig om järn-, mangan-, fosfor- och
germaniumjoner. Av dessa är järn, fosfor och mangan livsnödvändiga men ett överskott av
mangan har toxisk verkan. Det har inte påvisats någon negativ effekt av germanium för
hälsan.13
4.4 Tillgänglighet
Det rekommenderade magnetokaloriska materialet innehåller inga sällsynta jordartsmetaller
utan ämnen som är relativt vanligt förekommande i jordskorpan.
Eftersom germanium är det dyraste och mest sällsynta ämnet i det magnetokaloriska
materialet föreslås att leverantör väljs efter hur god tillgång denna har av germanium.
Germanium framställs främst i USA och Västeuropa som biprodukt vid zinkframställning.
mangan utvinns främst i Ukraina och Sydafrika men även Australien, Indien, Kina men även
Brasilien har en betydande produktion. Hälften av världens fosfortillgångar finns i
arabländerna men det finns även stora fyndigheter i Kina, Ryssland, Marocko, och delar av
USA. Varken järn eller kisel uppfattas kunna begränsa produktionen då de är vanligt
förekommande i jordskorpan och är lätta att framställa. 14,15,16
MagnetoFridge har inte någon materialtillverkning. Projektgruppen rekommenderar därför att
anlita en underleverantör som syntetiserar det magnetokaloriska materialet. Eftersom mangan
och germanium utvinns i Europa och fosfor finns i Marocko rekommenderas att det
magnetokaloriska materialet framställs i Europa för att minska transportsträckan.
9(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
4.5 Pris
kisel: 3,3$/kg " 30kr/kg
mangan: 2,8$/kg " 24kr/kg
germanium: 1300$/kg " 10400kr/kg 17,18
En grov uppskattning av råvarupriset för det magnetokaloriska materialet är 300kr/kg.
5. Permanentmagneten
Permanentmagneten måste ha en tillräckligt stor magnetiskt flödestäthet för att uppnå den
magnetokaloriska effekten. Ju högre flödestäthet desto större sänkning av den magnetiska
entropin, -!S. I forskningsmiljö används supramagneter men det är inte lämpligt i ett
hushållskylskåp, eftersom det skulle leda till en alltför avancerad och dyr konstruktion.19
5.1 Teknisk materialdata
Projektgruppen har valt Nd2Fe14B som magnetiskt material i permanentmagneten.
Dimensioneringen och placeringen av dessa magneter görs på ett sådant sätt att en flödestäthet
på 2 T erhålls. 20
5.2 Framställning
Projektgruppen rekommenderar att den permanenta magneten framställs genom Ball Milling
för att sedan sintras ihop till rätt form och storlek. Fördelar med Ball Milling är att den är,
liksom tidigare nämnts, billig och lätt att skala upp. 21
5.3 Miljö och hälsa
Den permanenta magneten har inga rekommenderade försiktighetsåtgärder. Rent neodym är
toxiskt för vattenlevande organismer men eftersom det endast förekommer i legering i ett
slutet system kommer detta inte vara aktuellt.22 Legeringen har ingen rapporterad toxicitet
förutom vid förbränning av flisor och damm.23 Detta kommer inte att vara en risk eftersom det
inte kommer att uppstå under normala användningsförhållanden. Det förekommer inte heller
någon risk underleverantörerna eftersom magneterna produceras genom sintring och inte
skärande bearbetning.24
Det finns ingen bevisad skadlig effekt på människor i samband med magnetfält i den
storleksordning som kommer vara runt MagnetoFridges kylskåp. Eftersom magnetfältet avtar
snabbt med ökande avstånd från magneterna kommer magnetfältet som användaren utsätts för
att ligga betydligt under den rekommenderade nivå (max 100 µT) . Samma gräns gäller för
påverkan av pacemakers.25
Det neodym som kommer att ingå i magneterna kommer att vara stabila isotoper. Man kan
garantera detta genom att kontrollera strålningshalten på magneten innan installation i
produkten.26
10(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
5.4 Tillgänglighet
Kina står för 97 % av världsproduktionen av neodym men planerar att minska exporten av
rena sällsynta jordartsmetaller för att istället exportera färdiga produkter. Detta gör att
tillgången av ren neodym kommer att bli instabil. Även bor finns i mindre mängder i Kina,
dock finns de största fyndigheterna i USA och Turkiet. En uppstartad produktion av magneter
skulle bli kostsam eftersom denna slags produktion inte ligger inom företagets
kärnverksamhet. Projektgruppen rekommenderar därför att köpa in färdiga
permanentmagneter från Kina. 27,28,29,30
5.5 Pris
Totalt kommer 100g Nd2Fe14B att behövas till de permanenta magneterna för varje kylskåp.
Kostnaden för dessa uppskattas till 125kr (se appendix).
6. Kylmedium
En fördel hos kylskåp som använder magnetisk kylning är att de fungerar bra med ett
lättillgängligt och billigt kylmedium som vatten. Dessutom blir det ett miljövänligare
kylmedium än de som finns i kompressorkylskåp.
6.1 Teknisk materialdata
Som kylmedium valdes en lösning bestående av 90 % vatten och 10 % etanol. Enligt
beräkningar kommer det inte föreligga några tekniska hinder för denna lösning. Med enbart
vatten i kylsystemet kan en flödeshastighet på 240 l/h uppnås.31 Etanolen kommer inte att
nämnvärt påverka pumphastigheten, jämfört med rent vatten, då dess viskositet ligger nära
viskositeten för vatten och lösningen endast består av 10 % etanol.32 Det finns en risk att
kylmediet orsakar korrosion på det magnetokaloriska materialet efter en lång användningstid.
Detta kommer dock att undersökas noggrant då prototypen har konstruerats.
6.2 Miljö och hälsa
Varken miljö- eller hälsovådliga ämnen ingår. Etanol som släpps ut i naturen löser sig snabbt i
vatten och bryts ner av mikroorganismer utan negativa miljökonsekvenser.
6.3 Pris
Priset kommer i sammanhanget att vara obetydligt. Kostnaden för kylmediet kommer inte
överstiga 1 kr/enhet. Detta då kostnaden för vattnet får anses i det närmaste kostnadsfritt och
enbart tre deciliter etanol/enhet används.
11(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
7. Elförbrukning
De komponenter i kylskåpet som förbrukar ström är kylvätskepumpen, elmotorn och två
fläktar.
7.1 Kylvätskepumpen
Kylvätskepumpen från den tyska tillverkaren Eheim har en pumpkapacitet på 250 liter/timme
och har en elförbrukning på 10 W. Pumpen bedöms vara igång 30 % av tiden. Totalt antal
timmar på ett år är 8760, vilket ger att pumpen kommer att gå 0,3*8760 = 2658 timmar per år.
Kylvätskepumpen kommer därmed ha en årlig elförbrukning på 0,01*2658 = 26,6 kWh/år.33
7.2 Elmotor
Elmotorn som används drivs med 24 V DC och har en elförbrukning på 18W. Elmotorn
bedöms användas 30 % av tiden. Det betyder att elmotorn har en årlig elförbrukning på
0,018*2658 = 47,3 kWh/år.34,35
7.3 Fläktar
Två fläktar kommer att användas för att föra bort den varma luften från värmeväxlaren.
Elförbrukningen för en fläkt är 2,6 W. Fläktarna bedöms behöva gå 35 % av tiden. Detta ger
en årlig förbrukning på 0,0026*0,35*8760 = 8 kWh/år. Båda fläktarna tillsammans kommer
således att ha en elförbrukning på 16 kWh/år. 36
7.4 Sammanlagd förbrukning
Sammanlagt blir elförbrukningen för kylskåpet:
26,6+47,3+16 = 90 kWh/år
Detta ger en lägre elförbrukning än dagens mest energisnåla konventionella kylskåp
(103 kWh/år).37
8. Ljudnivå
Ljudet från fläktarna är bestämd till 34 dB. Kylvätskepumpen har en ljudnivå på 30 dB .
Ljudet från elmotorn kommer att vara försumbart i sammanhanget. Därför har målet att
konstruera ett kylskåp som har en lägre ljudnivå än dagens bästa konventionella kylskåp
(38 dB) uppnåtts.38
12(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
9. Sammanfattning av materialvalen
I Tabell 1 följer en överskådlig sammanfattning av materialvalen.
Tabell 1. För och nackdelar hos materialförslagen
Material
Fördelar
Magnetokaloriskt
•
material
•
MnFeP0.55Si0.30Ge0.15
•
•
Nackdelar
Hög kylkapacitet.
Optimerat för
rumstemperatur.
Innehåller inga sällsynta
jordartsmetaller.
Ej hälso- eller miljöskadligt.
•
•
•
Risk för effektförlust.
Svårframställd p.g.a. 5 st
grundämnen.
Saknas forskning om
korrosion vid långvarig
kontakt med kylmediet.
Kylmedium
9/10 vatten och 1/10
etanol
• Billig
• Lättillgängligt material
• Miljövänligt
• Saknas forskning angående
kemisk stabilitet hos
kylmediet.
Permanentmagnet
Nd2Fe14B
(Grade N50)
• Starkt magnetfält vilket ger
hög effektivitet.
•
•
Dyrt.
Innehåller en sällsynt
jordartsmetall.
10. Ekonomi
10.1 Marknadsutsikter
De marknader som är intressanta för produkten är Europa, USA och Japan. Totalt uppgår den
årliga marknaden för dessa områden till ungefär 29 miljoner enheter.39,40,41
I dagsläget har MultiFridge 10 % av dessa marknader. Vald marknadsstrategi innebär att
prissätta kylskåpet över konkurrenters produkter som redan finns på marknaden, detta för att
skapa en känsla av exklusivitet och kvalitet. Risken med denna strategi är att en del av
marknaden inte längre kommer vara intresserade av produkten då de anser den vara för dyr.
Denna del av marknaden kommer därför att välja ett billigare konventionellt kylskåp. Vi antar
att MultiFridge kommer tappa halva sin marknadsandel på grund av detta. MultiFridge
kommer då att ha en marknadsandel på 5 % vilket motsvarar 1 450 000 enheter årligen.
13(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
10.2 Vinstprognos
Målpriset för kylskåpet beräknas till 4250kr, av detta är:
Materialkostnader och externa kostnader
75%
Personalkostnader
22,5%
Avskrivning av maskiner
1,5%
Lokaler
1%
Antal sålda enheter/år:
Säljpris/enhet:
Säljpris/enhet:
Vinst/enhet:
Vinst/år:
Uppstartskostnad:
1,45 miljoner st
6,375kkr (Pris till återförsäljare)
12,5kkr (Pris hos återförsäljaren)
2,125kkr
3,08 Gkr
740 Mkr
Break-even efter 348 100 enheter, d.v.s. ungefär 3 månader efter uppstartad produktion.
10.3 Tillverkningskostnader
Till stora delar är konstruktionen densamma för kylskåp med magnetisk kylning som för
dagens kompressorkylskåp. Dock återfinns inte vissa delar från kompressorkylskåpet i ett
kylskåp med magnetisk kylning (främst kompressorn) och vice versa.
För att göra en korrekt ekonomisk uppskattning av materialkostnaderna utgår man från en
uppskattad materialkostnad för ett kompressorkylskåp. Denna kostnad beräknas på samma
sätt som målpriset för materialkostnaden för det magnetiska kylskåpet. Från denna kostnad
subtraheras kostnaden för kompressorn för att få en uppskattning av materialkostnaderna för
de delar som är gemensamma för de olika kylskåpen. Utifrån denna uppskattning av
materialkostnaderna adderas kostnaden för de delar som endast förekommer i ett kylskåp med
magnetisk kylning. Det pris som erhålls är det uppskattade priset för materialkostnaderna, se
tabell 2.
14(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
Tabell 2. Sammanfattning av materialkostnader.
Materialkostnader (SEK)
Materialkostnader i kompressorkylskåp/enhet
Totala materialkostnader
Kostnad kompressor
2 700
42
-950
Materialkostnad exklusive kompressor
1 750
Materialkostnad i magnetiska kylskåp/enhet
kr
Komponenter som även ingår i kompressorskylskåp
Pump
5
Motor
4
Magnetokaloriskt material
kr
1 750
500
400
17,18
300
Permanantmagnet (se appendix)
125
3 075
Målpris kontra beräknat pris
kr
Målpris
3 185
Beräknat pris
3 075
Differans
110
Materialpriset hamnar därmed på 3075kr vilket är 110kr under målpriset för
materialkostnaderna som uppgår till 3185kr.
11. Patent
Det finns inga patent som ligger som hinder för förslaget, varken inom konstruktion,
permanentmagnet eller magnetokaloriska materialet. De patent som finns är på
permanentmagneten men detta hindrar inte en tillämpning inom konstruktionen. Eftersom
permanentmagneten köps in från underleverantörer behöver inte MultiFridge ta hänsyn till
dessa.
12. Sammanfattning
MagnetoFridge har kommit fram till ett förslag på ett kylskåp som använder sig av magnetisk
kylning där slutprodukten anses kunna vara kommersiellt gångbar. Marknaden har stor
potential och projektgruppen anser det möjligt för MultiFridge att inom 5 år lansera ett
magnetiskt kylskåp som är tystare och mer energisnålt än dagens kompressorkylskåp med stor
vinst. Detta förutsatt att vidare forskning bedrivs. Projektgruppen ser störst
optimeringspotential hos det magnetokaloriska materialet varför vidare forskning borde
koncentreras dit.
15(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
13. Appendix
Den magnetokaloriska effekten
Magnetisk kylning grundar sig på ett magnet-termodynamiskt fenomen. Ett lämpligt
magnetisk material (t.ex. Gadolinium) kan reversibelt ändra sin temperatur när materialet blir
utsatt för ett yttre varierande magnetiskt fält. Vi ska gå igenom principen för magnetisk
kylning steg för steg.
Steg 1
Till en början är de magnetiska momenten i det
magnetiska materialet slumpvis orienterade. När
ett yttre magnetisk fält, +H, läggs på så kommer
materialets magnetiska dipoler att linjera upp sig
med det magnetiska fältet. På så vis minskar den
del av materialets entropi som är kopplat till de
magnetiska momentens oordning. Det är en
adiabatisk process och enligt termodynamikens
lagar ska entropin i materialet vara konstant.
Därför ökar entropi i form gittervibrationer
istället. Med andra ord sker en temperaturhöjning
i materialet.
Steg 2
Detta steg är isotermiskt. När det yttre
magnetfältet fortfarande är pålagt så kan
överskottsvärmen ledas bort från det magnetiska
materialet, -Q, via någon vätska eller gas.
Steg 3
Detta steg är en adiabatisk process. När
värmeavledning har skett kan det yttre magnetiska
fältet stängas av, H=0, och då kommer de
magnetiska momenten att återigen inta mer
slumpvisa orienteringar gentemot varandra.
Steg 4
För att göra denna orienteringförflyttning av magnetiska dipoler krävs energi. Den energin tas
i form av värmeenergi från omgivningen, +Q. På så sätt kan det magnetiska materialet
fungera som ett kylande element.
Sedan kan hela processen startas om från början eftersom alla värmeförändringar och
magnetiska förändringar som sker i materialet är reversibla.43
16(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
Överslagsberäkning av kylkapacitet
Detta är grov uppskattning på hur mycket av det magnetokaloriska materialet
MnFeP0.55Si0.30Ge0.15 som vi behöver för att uppnå en tillfredsställande kylkapacitet.
Antag att vi vill kunna kyla 10 Liter mjölk från rumstemperatur, 22 grader Celsius, ner till
kylskåpstemperatur 8 grader Celsius på 1 timmar. Vi antar för enkelhetens skull att en liter
mjölk väger ett kg. Värmekapaciteten för mjölk är 3,77 kJ/(K"kg) 44.
Temperaturändringen i Kelvin: 281K – 295K = -14 K
-14 * 10 * 3,77 = -527,8 " -528 kJ på 1h
1*60*60 = 3600 sekunder
=> -528kJ/3600s = -146,7 J/s
Alltså behövs en kyleffekt på 146,7 W. För att ha marginal sätter vi en kyleffekt på 200W
som krav för vårt kylskåp.
Frekvensen på vår konstruktion är fyra varv per sekund (4Hz) och därför
ska 200/(4) = 50J kylas bort vid varje tillfälle som det magnetokaloriska materialet blir
magnetiserat.
Den magnetiska entropiändringen är –deltaS = 16 ( J/kg*K)
Temperaturändringen för det magnetokaloriska materialet är deltaT = 4K. Fast detta är en stor
approximation. Egentligen ska –deltaS som funktion av temperaturen integreras över
temperaturspann 14K. Eftersom vi saknar uppgifter på funktionsvärde på–deltaS så görs en
16 * 4 = 64 ( J/kg)
50/64 = 0,78 kg av det magnetokaloriska materialet behövs till vår konstruktion.
17(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
Magnetokaloriska materialets dimensioner
Massa: m = 800 g
Densitet: p = 7,5 g/cm^3
V = m/p = 800/7,5 = 107 cm^3
Med porositet på 1,40 => V = 1,40 * 107 = 150 cm^3
Gap mellan permanentmagnet: h = 5,0 cm
Bredd på permanentmagnet: b = 1,0 cm
För att inte magnetokaloriska ska slå i lämnas 0,15 cm mellanrum på båda sidor tillsammans
0,3 cm
l = V/((h-0,3)b) = 150/((5,0-0,3)1,0) = 32 cm
Dimensioner på magnetokaloriska materialet
Bredd: 1,0 cm
Höjd: 4,7 cm
Längd: 32 cm
Permanentmagnetens dimensioner
Bredd: b = 1,0 cm
Höjd: h = 0,2 cm
Längd: l = 32 cm
Beräkningar av dimensioner och kostnad för permanentmagneten
De två permanenta magneterna är konstruerade så att de ska vara lika långa som det
magnetokaloriska materialet. Detta innebär att de permanenta magneterna får dimensionerna
0,2cm x 1,0cm x 32,0cm.
Detta ger en total volym på 12,8 cm3
Nd2Fe14B har densiteten 7,56 g/cm3
45
Detta innebär att 96,758g Nd2Fe14B behövs per kylskåp. Avrunda detta till 100g för
enkelhetens skull.
Sintrad Nd2Fe14B kostar 150USD/kg.46
Kostnaden för permanentmagneterna per kylskåp uppgår då till 15USD, vilket motsvarar 110
SEK med dagens växelkurs.47
Vi uppskattar kostnaden till 125SEK per kylskåp för att har en buffert mot eventuella
fluktuationer i växelkurserna.
18(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
Referenser
1 Development of a rotary magnetic refigerator, Z. Tusek, S.Zupan, A.Sarlah, I. Poredos,
2009
2 Design and performance of a permanent-magnet rotary refrigerator
C. Zimma, A. Boedera, J. Chella, A. Sternberga, A. Fujitab, S. Fujiedab, K. Fukamichic, 2006
3 http://www.cy-magnetics.com/
4 http://www.ebmpapst.se/sv/media/information/Zeitlauf_Eta_Crown_52-75.pdf
5 http://www.highspeedpc.com/Merchant2/merchant.mv?Screen=PROD&Product_
Code=E1046&Category_Code=Pump
6 http://www.allmotion.se/files/pdf/1330.pdf
7 http://www.metal-pages.com/metalprices/gadolinium/
8 The Magnetocaloric effect in Fe2P – based Alloys Matthias Hudl, Uppsala Universitet, 2010
9 Influence of Si and Ge on the magnetic phase transition and magnetocaloric properties of
MnFe(P, Si, Ge), D.T. Cam Thanh, E. Bru¨ ck, O. Tegus, J.C.P. Klaasse, K.H.J. Buschow 2007
10 Matthias Hudl, Uppsala Universitet
11 http://www.springerlink.com/content/wu0u257r8m056137/
12 Matthias Hudl, Uppsala Universitet
13 http://www.lenntech.com/periodic/elements/mn.htm
14 http://www.ne.se/lang/fosfor
15 http://en.wikipedia.org/wiki/Manganese
16 http://www.ne.se/lang/germanium
17 http://www.metalprices.com/
18 http://www.mineralprices.com/
19 Thirty years of near room temperature magnetic cooling: Where we are today and future
prospects K.A. Gschneidner, Jr.*, V.K. Pecharsky 2008
20 Review and comparison of magnet designs for magnetic refrigeration, R. Bjørk, C.R.H. Bahl,
A. Smith and N. Pryds
21 Synthesis, magnetic properties and formalism of magnetic properties of high-quality
refined Nd2Fe14B powders for permanent magnet devices, S. RAM* Institute of Metal Research,
Technical University of Berlin, Hardenbergstraße-36, D-10623, Berlin, Germany.
22 http://www.lenntech.com/periodic/elements/nd.htm#ixzz0owB1Fwt1
23 http://www.wondermagnet.com/magfaq.html
24 http://www.edyne.com/pdf/MSDS_Reance.pdf
19(20)
Uppsala Universitet
2010-08-31
25 http://www.av.se/fragorochsvar/195.aspx
26 http://sv.wikipedia.org/wiki/Neodym
27 http://www.independent.co.uk/news/science/concern-as-china-clamps-down-on-rare-earthexports-1855387.html
28 http://en.wikipedia.org/wiki/Boron
29 http://www.encyclopedia.com/doc/1G1-210170620.html
30 http://www.chemistryexplained.com/elements/A-C/Boron.html
31 Design and performance of a permanent-magnet rotary refrigerator, C. Zimma, A. Boedera, J.
Chella, A. Sternberga, A. Fujitab, S. Fujiedab, K. Fukamichic (2006)
32 http://sv.wikipedia.org/wiki/Viskositet
33http://www.highspeedpc.com/Merchant2/merchant.mv?Screen=PROD&Product_Code=E1046
&Category_Code=Pump
34 http://www.ebmpapst.se/sv/media/information/Zeitlauf_Eta_Crown_52-75.pdf
35 http://www.ebmpapst.se/sv/products.php?pid=2333
36 http://www.allmotion.se/files/pdf/1330.pdf
37 www.elgiganten.se
38 www.tretti.se
39 http://www.parsianref.com/Article_Files/parsian_1%281%29.pdf
40 http://www.appliancemagazine.com/editorial.php?article=522&zone=1&first=1
41 http://www.esource.com/esource/getpub/public/pdf/Appliances.pdf
42 http://www.appliancezone.com/ShowProduct.aspx?ID=9359
43 http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_refrigeration
2010-03-24
44 http://www.ict.kth.se/courses/IF1601/kursmaterial/Tenta-070531.pdf
45 http://www.askmar.com/Magnets/Nd2Fe14B%20Crystal%20Structure.pdf
46 Concise encyclopedia of magnetic and superconducting materials, K. H. J. Buschow
47 http://www.växelkurs.se/default.aspx
20(20)