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Development of the low temperature active magnetic regenerative refrigerator with conduction cooled high temperature superconducting magnet = 전도 냉각 고온 초전도 자석을 이용한 저온 능동형 자기 재생식 냉동기의 개발
서명 / 저자 Development of the low temperature active magnetic regenerative refrigerator with conduction cooled high temperature superconducting magnet = 전도 냉각 고온 초전도 자석을 이용한 저온 능동형 자기 재생식 냉동기의 개발 / Inmyong Park.
저자명 Park, Inmyong ; 박인명
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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Magnetic refrigeration is a cooling technique that uses the magnetocaloric effect (MCE). The MCE is based on the phenomenon that the temperature or entropy of a material changes due to variation of magnetic field. Since the MCE is a reversible change in temperature of entropy of magnetic material under the varying external magnetic field, the reversible processes in the magnetic refrigeration cycle such as a magnetization and demagnetization process can provide an opportunity to develop a more effective refrigeration system than the compression-expansion cycle. An active magnetic regenerative refrigerator (AMRR), a type of magnetic refrigerator, utilizes magnetic materials as a regenerator, so called an active magnetic regenerator (AMR). The characteristics of an AMR is that it functions as both the working refrigerant and the heat transfer medium. Its temperature gradient, which allows for a large temperature span, develops along the length of the AMR. The AMRR which can be considered as multi-stage cascade system can be useful if the heat sink temperature is significantly apart from the heat source temperature. The advantage of AMRR is well-recognized and often emphasized in the case of having to cope with large temperature span. Magnetic cooling technique was first conceived as an enabling technology to reach sub-Kelvin tempera-ture where no other conventional gas-expansion method is any longer effective to lower temperature. Further-more, the magnetic refrigeration has been extensively explored at room temperatures for past several decades. However, only few research efforts for magnetic refrigeration for the temperature range between 20 K and 77 K has been conducted. Several experimental investigations on the magnetic refrigerator operating between 20 K and 80 K are introduced. All of them employ low temperature superconducting (LTS) magnets to drive the AMR cycle. Since LTS magnets require very low temperature for operation, it is inherently ineffective for cooling at temperatures of interest for the study. Moreover, an AMRR with direct current superconducting magnet needs relative movement between the magnet and the AMR for the magnetic field variation. Because the mechanical movement in a cryogenic environment can impact the reliability of the system, many researchers adopt the al-ternating current operation for the magnetic field change. For these reasons, the conduction cooled HTS magnet with AC operation is utilized as a magnetic field generator in this work. This dissertation presents design and development of the AMRR operating between 20 K and 77 K. Four different rare-earth intermetallic compounds ($GdNi_2, Dy_{0.85}Er_{0.15}Al_2, Dy_{0.5}Er_{0.5}Al_2, and Gd_{0.1}Dy_{0.9}Ni_2$) are utilized according to their favorable temperature regions. The magnetic refrigerator is composed of two stages each of that is made of two different AMRs. Each stage of AMR is designed by one-dimensional numerical simulation to maximize its performance. Magnetic field alternation throughout the AMR is generated by the HTS magnet. The maximum magnetic field and the ramp rate are set to 3 T and 1 T/s, respectively, taking into account a stable operation. Helium gas was employed as a working fluid and its oscillating flow in the AMR is controlled in accordance with the magnetic field variation. The performance of the AMRR is analyzed by observing internal temperature variations at cyclic steady state. Numerical estimation of the cooling capacity and the temperature variation of the AMR are examined and compared with the experimental results.

자기 냉각 기술은 물질의 자기열량효과(magneto-caloric effect)를 이용하여 온도를 낮추는 기술이다. 자기열량효과는 물질에 자기장 변화를 주면 단열과정에서 온도, 등온과정에서 엔트로피가 변하는 현상이다. 이러한 자기열량효과를 가지는 물질을 자성 물질(magnetic ma-terial)라고 한다. 자기열량효과는 가역 과정이기 때문에 자기 냉동기는 매우 큰 효율을 낼 수 있는 가능성이 있다. 능동형 자기 재생식 냉동기(Active magnetic regenerative refrigerator)는 자기 냉동기의 한 종류로써 자성냉매를 재생 물질로 사용하는 재생기와 열전달 유체를 이용한다. 재생기에 자기장을 인가하고 제거하는 동안 적절한 열전달 유체의 유동을 발생시킴으로 냉각효과를 발생시킨다. 일반적으로 역브레이튼 사이클을 구성하게 되는 데 작동과정은 단열 자화 (냉매 온도 증가), 재생 열교환 (저온부에서 고온부로 유동 발생), 단열 탈자화 (냉매 온도 감소), 재생 열교환 (고온부에서 저온부로 유동 발생)을 한 사이클로 하여 반복하게 된다. 이와 같은 과정을 반복하게 되면 재생기의 길이방향으로 온도구배가 발생하여 다단 냉동 시스템과 같은 효과를 얻을 수 있어 작동 온도범위가 넓어지게 된다. 초기 자기 냉각 기술은 기존의 기체 압축-팽창 사이클로 구현이 불가능한 1 K 이하의 온도를 조성하기 위하여 개발되었고 현재 극저온 분야뿐만이 아니라 상온(300 K)에서 작동하는 자기 냉동 기술 개발이 이미 활발하게 이루어지고 있다. 하지만 그 중간 온도 영역(액체 질소, 액체 수소 온도)에서는 대부분 수치해석을 통하여 설계를 한 연구가 주를 이루고 있고 직접 제작하여 냉동기를 작동 시킨 경우는 극소수이다. 선행 연구로 본 연구실에서는 20 K ~ 77 K 온도 사이에서 작동하는 능동형 자기 재생식 냉동기를 제작하였으나 맥동관을 설치하여 자기열량효과 이외에 다른 냉각효과가 중첩되어 순수히 능동형 자기 재생기만의 성능을 파악할 수 없었다. 또한 자기장을 인가하는 자석으로 저온 초전도 코일을 사용하였기 때문에 액체헬륨으로 인한 냉각효과도 배제할 수 없었다. 따라서 본 연구에서는 이러한 선행연구의 한계점을 극복하여 능동형 자기 재생식 냉동기를 설계하고 검증하는 데 그 의의가 있다. 본 연구에서는 저온부의 온도가 20 K인 능동형 자기 재생식 냉동기를 설계하고 제작하였다. 자성냉매는 $GdNi_2, Dy_{0.85}Er_{0.15}Al_2, Dy_{0.5}Er_{0.5}Al_2, Gd_{0.1}Dy_{0.9}Ni_2$를 선정하였고 1차원 수치해석을 통하여 능동형 자기 재생기(active magnetic regenerator)를 설계하였다. 또한 액체헬륨을 사용하지 않는 150 A에서 최대 3 T의 자기장을 인가하는 고온초전도 자석 시스템을 설계 및 제작하였고 현재 전류 인가실험 및 전도 냉각 테스트를 완료하였다. 또한 열전달 유체가 왕복유동을 할 때 발생하는 열유입을 최소화하기 위하여 재생기를 설계 및 제작하였다. 위와 같은 시스템으로 수치해석을 통하여 설계 및 제작한 능동형 자기 재생식 냉동기의 성능을 실험으로 검증하고 수치해석결과와 비교할 것이다. 변수는 왕복유체의 질량, 자기장의 세기, 자기장과 왕복유체의 위상 변화이다. 이와 같이 수치해석결과와 실험결과와의 비교를 통하여 수치해석의 정확도를 높이고 궁극적으로 능동형 자기 재생식 냉동기의 구체적인 설계 방안을 제시하는 것이 본 연구의 목표이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 18010
형태사항 ix, 153 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박인명
지도교수의 영문표기 : Sang Kwon Jeong
지도교수의 한글표기 : 정상권
수록잡지명 : "Development of the active magnetic regenerative refrigerator operating between 77 K and 20 K with the conduction cooled high temperature superconducting magnet". Cryogenics, v.88, pp. 106-115(2017)
수록잡지명 : "Design method of the layered active magnetic regenerator (AMR) for hydrogen liquefaction by numerical simulation". Cryogenics, v.70, pp. 57-64(2015)
Appendix : A, AMRR with LTS magnet. - B, Heat leak test during cryogenic experiment of the AMR. - C, Numerical code for the perforrmance estimation of the AMR
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 References : p. 111-114
주제 magnetocaloric effect
magnetic refrigerator
magnetic material
active magnetic regenerator
high temperature superconducting magnet
자기열량효과
자기 냉동기
자성 물질
능동형 자기 재생기
고온 초전도 자석
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