수동형 열스위치를 사용하는 단열 탈자 냉동기의 개발

Abstract

자기열량효과 (Magnetocaloric effect, MCE)는 외부 자기장의 변화에 따라 물질의 온도나 엔트로피가 변화하는 현상으로, 자성 물질로 불리는 일부 물질에서 크게 발현된다. 단열 탈자 냉동기 (Adiabatic Demagnetization Refrigerator, ADR)는 이러한 자기열량효과를 이용한 자기 냉동의 한 방식이다. 단열 탈자 냉동기는 자기장 변화를 제공하는 초전도 자석, 외부 자기장 변화에 따라 온도가 변화하는 자성 물질, 그리고 이 자성 물질의 온도에 따라 적절하게 고온부 또는 저온부와 자성물질을 열적으로 연결했다가 탈착하는 열스위치가 필요하다. 기존의 열스위치는 사이클 과정에 맞추어 적절히 ON/OFF 되도록 능동적인 제어가 필요하고, 따라서 시스템의 복잡성이 증가하게 된다. 본 연구에서는 자기장에 따라 열전도율이 변화하는 초전도체와 응축부 온도에 따라 열전달 능력이 변하는 열사이펀을 이용하여 수동적으로 작동하는 열스위치가 적용된 단열 탈자 냉동기를 개발하고자 한다. 초전도체는 순수한 납 와이어, 열사이펀 작동 유체는 헬륨을 사용하였다. 1차원 수치해석을 통한 예측모델을 개발하여 냉동기의 작동 가능성을 확인하였다. 이를 바탕으로 실험 장치를 제작하였고 냉동 사이클 실험을 수행하였다. 냉동기의 고온부는 2단 G-M 냉동기에 의해 6 K으로 유지 된다. 실험에서 사용된 고온 초전도 자석은 자성 물질에 0~3 T의 자기장 변화를 제공한다. 실험 결과 사이클의 일부 과정에서 열사이펀의 온도가 고온부 6 K 보다 낮은 4.4 K으로 유지가 되었고 이를 통해 열사이펀 내부에 있는 헬륨의 응축을 확인하였다. 본 연구는 단열 탈자 냉동기에서 고온부와 저온부의 열스위치가 모두 수동적으로 작동함으로써 시스템을 단순화시킨데 의의가 있다. 또한 고온부 온도를 4 K으로 더 낮출 수 있다면 저온부가 2 K으로 유지되어 초유체 (superfluid helium)의 액화가 가능할 것이다.