The objective of this study is to design an adiabatic demagnetization refrigerator (ADR) for hydrogen re-liquefaction with temperature span of over 2 K and re-liquefaction rate of 0.1 L/day. For this purpose a high Tc superconducting (HTS) magnet system including a conduction cooled HTS magnet, and components for its continuous operation applicable to magnetic refrigeration system are designed and constructed aimed at maximum ramp rate of 0.1 T/s as well as central magnetic field of 3 T.
The magnetic refrigeration is a cooling technique utilizing magnetocaloric effect which is a phenomenon that the entropy or temperature changes when external magnetic field variation is applied on solid materials. The magnetocaloric effect was discovered by German physicist Emil Warburg (1880). Since it has great potential for higher efficiency than that of conventional gas-compression refrigeration systems, in this study, the ADR for hydrogen re-liquefaction operating between 22.1 K and 20.0 K has been designed. Dy0.9Gd0.1Ni2, whose Curie temperature is 24 K, is selected as a magnetic refrigerant. The magnetic refrigerant powder is sintered with oxygen free high purity (OFHC) copper powder to enhance its effective thermal conductivity as well as to achieve relatively high frequency. ADR requires a heat switch to reject heat generated during heat rejection process from a magnetic refrigerant. A perforated plate heat exchanger (PPHE) operated with forced convection is considered as a heat switch. The forced convection heat switch is expected to have fast response relative to a conventional gas-gap heat switch. Since the heat switch is always attached on the magnetic refrigerant, the heat capacity of the heat switch should be considered as an important design parameter. The dimension of the heat switch and the corresponding composition ratio of the sintered magnetic refrigerant with OFHC copper powder are optimized by numerical analysis. The optimized cooling power of the ADR is 0.086 W is equivalent to re-liquefaction rate of 0.242 L/day with temperature span of 2.1 K.
The magnetic refrigeration requires a strong magnetic field and its alternation for the magnetization and demagnetization process. A HTS magnet is one of the good candidates to generate magnetic field variation on a magnetic refrigerant and applicable to a magnetic refrigerator. 2nd generation Gd-Ba-Cu-O coated conductor with Kapton® insulation (SUNAM Inc.) is utilized for the HTS magnet. The designed magnetic field of the HTS magnet is over 3 T at the center of the bore with transport current of 150 A. The HTS magnet is cooled by the GM cryocooler (AL230, Cryomech) to about 20 K. The OFHC copper shims whose thickness is 38 μm are inserted between the inter-layers of the conductors. Apiezon® N grease with hexane solution is applied on every layer of the conductors to minimize thermal contact resistance between the conductor and the OFHC copper shims. The charging and discharging of the HTS magnet are achieved by the DC power supply (6680A, Agilent) with proportional-integral-derivative (PID) control and an external dump resistor. Persistent magnetic field is achieved with 3.25 T at the center of the bore and a direct transport current of 150 A. Alternating magnetic field is stably generated at ramp rate up to 5 A/s, with the peak of 2.16 T and alternation transport current of 100 A. During AC operation, there are no particular temperature rises in the HTS magnet system. It means that the faster ramp rate than 5 A/s is sufficient to charge the HTS magnet.
본 연구의 목표는 2 K 이상의 동작 온도범위와 0.1 L/day 이상의 수소 재액화율을 갖는 단열 탈자 냉동기 (Adiabatic Demagnetization Refrigerator, ADR) 를 설계하는 것과, 단열 탈자 냉동기를 구동하기 위한 고온 초전도 자석 (High Tc Superconducting magnet, HTS magnet) 시스템을 설계 및 실증하는 것이다. 본 연구에서 구현하려는 고온 초전도 자석 시스템은 크게 전도냉각형 고온 초전도 자석과 이의 연속적인 구동을 위한 요소들로 구성이 되어있으며, 최대 자속변화율 0.1 T/s 과 동시에 중심자기장 3 T 를 목표로 한다.
자기냉동 (magnetic refrigeration) 은 자기열량 효과 (magnetocaloric effect) 를 응용한 냉각기술이다. 자기열량 효과란, 특정물질에 강한 자기장을 가해주거나 제거했을 때 물질의 엔트로피 변화에 의해 물질의 온도가 변화하는 현상을 말하며, 1881 년 독일 물리학자인 Warburg 에 의해 철에서 최초로 발견되었다. 자기냉동은 기체냉매를 사용하는 냉동기의 압축 및 팽창과정인 비가역과정을 가역과정인 자화 (magnetization) 및 탈자화 (demagnetization) 과정으로 대체함으로서 냉각효과를 얻기때문에 열역학적 효율이 높다고 할 수 있으며, 본 연구에서는, 저온부 20 K 과 고온부 22.1 K 사이에서 동작하는 수소 재액화를 위한 단열 탈자 냉동기를 설계하였다. 수소 재액화의 목적에 맞게 24 K 의 퀴리온도을 가지는 희토류 금속 화합물 Dy0.9Gd0.1Ni2 를 선택하였으며, 이를 무산소동 (oxygen free high purity copper, OFHC copper) 과 소결하여 자성냉매 (magnetic refrigerant) 로 사용하였다. 이로서 자성냉매 축방향으로의 유효 열전도도를 향상시킬 수 있으며, 자성냉매에서 발생하는 열을 신속하게 해소함으로서 기존의 단열 탈자 냉동기보다 높은 동작 주파수를 기대할 수 있다. 단열 탈자 냉동기는 자성냉매에서 발생하는 열을 외부로 해소하기 위한 열스위치가 필요하다. 본 연구에서는 다공성 판형 열교환기 (Perforated Plate Heat Exchanger, PPHE) 내부에 예냉된 열전달 유체를 선택적으로 공급하여 자성냉매에서 발생한 열을 외부로 해소하는 강제 대류방식 열스위치를 고려하였다. 이러한 강제 대류방식의 열스위치는 기존의 개스-갭 (gas-gap) 열스위치보다 훨씬 빠른 응답성을 기대할 수 있다는 장점이 있다. 열스위치가 자성냉매에 항시 부착되어 있어 열스위치로부터 자성냉매로의 열유입이 발생한다. 따라서 자성냉매가 자화 및 탈자화과정을 겪는 동안에 온도변화의 폭이 제한될 수 있으므로 열스위치가 가지는 열용량을 고려하여 단열 탈자 냉동 사이클을 설계 할 필요가 있다. 열스위치의 형상과 이에따른 자성냉매를 구성하는 희토류 금속 화합물과 무산소동의 조성비를 수치해석을 통해 최적화하여 단열 탈자 냉동 사이클을 설계하였다. 설계된 단열 탈자 냉동기는 2.1 K 의 동작 온도범위, 0.086 W 의 냉각용량을 가지며, 이는 액화수소 기준 0.242 L/day 의 재액화율과 동일하다.
자기냉동은 자성냉매의 잠재력을 충분히 활용하기 위한 고자기장과, 이의 변화를 통해 자성냉매의 자화 및 탈자화과정의 구현을 필요로한다. 본 연구에서는, 자성냉매에 자기장을 인가하기 위해 고온 초전도 자석을 선택하였다. 고온 초전도 자석은 Kapton® 절연된 2세대 Gd-Ba-Cu-O 고온 초전도 선재로 제작되었으며, 150 A 통전전류 기준 최대 중심자기장 3 T 로 설계되었다. 고온 초전도 자석은 GM 극저온냉동기 (AL230, Cryomech) 에 의해 약 20 K 으로 전도냉각된다. 고온 초전도 자석 축방향으로의 열전도를 강화하기 위해 무산소동 재질의 얇은 열전도체를 고온 초전도 선재 사이에 설치하였으며, 이의 두께는 38 μm 이다. 또한 고온 초전도 선재와 열전도체 사이의 접촉 열저항을 최소화하기 위해 Apiezon® N 그리스를 휘발성이 매우 강한 유기용매인 헥산 (C6H14, hexane) 과 섞어 도포함으로서 고온 초전도 자석 내부의 좁은 틈까지 잘 침투할 수 있도록 하였다. 고온 초전도 자석에 전류를 공급하기 위해 DC 전원공급기 (6680 A, Agilent) 를 사용하였다. 먼저 PID (Proportional-Integral-Derivative) 제어를 통해 일정한 전류 변화율로 고온 초전도 자석을 충전하였으며, 외부에 설치된 덤프저항 (dump resistor) 에 의해 일정한 시정수로 고온 초전도 자석을 방전하였다. 고온 초전도 자석은 직류 150 A, 최대 중심자기장 3.25 T 를 달성하였다. 전류변화율 5 A/s 기준, 교류 100 A, 최대 중심자기장 2.16 T 를 달성하였으며, 연속구동중 고온 초전도 자석 내부에서의 특별한 온도상승이 관찰되지 않았다.