고온 초전도 자석을 이용한 능동형 자기 재생식 냉동기의 개발

Abstract

능동형 자기 재생식 냉동기(Active Magnetic Regenerative Refrigerator, AMRR)는 자성 냉매의 자기열량효과를 이용하여 냉각 대상의 온도를 낮추는 장치이다. 자기 냉각기의 한 종류인 단열 탈자 냉동기(Adiabatic Demagnetization Refrigerator, ADR)과는 달리 능동형 자기 재생식 냉동기는 넓은 온도범위에서 작동할 수 있기 때문에 고온부를 액체질소 온도로 하는 수소 재액화 시스템에 사용될 가능성이 있다. 본 연구에서는 고온 초전도 자석(High Temperature Superconducting Magnet)을 이용한 AMRR 시스템 및 실험 결과에 대하여 기술하고 있다. 고온 초전도 자석이 능동형 자기 재생기(Active Magnetic Regenerator, AMR)를 감싸고 있고 0.1 Hz, 최대 3 T의 자기장 변화를 AMR에 인가한다. AMR은 작동 온도 영역에 적합한 4가지의 자성냉매(GdNi2, Dy0.85Er0.15Al2, Gd0.1Dy0.9Ni2, Dy0.5Er0.5Al2)로 충진되어 있다. AMR이 고온초전도 자석에 의해 자화 또는 탈자화 될 때 기체헬륨을 왕복유동시켜 AMR의 온도구배를 발생시킨다. 이 때 상온으로부터 왕복유동이 발생하는 기체헬륨라인 에는 수동식 재생기를 설치하여 왕복유동에 의한 열유입을 최소화하였다. 본 논문은 실험 결과 능동형 자기 재생식 냉동기가 20 K ~ 77 K 사이에서 작동하는 것을 확인하였고 기체헬륨 질량유량, 동작온도범위에 따른 성능 변화에 대하여 논의하였다.