다중 재생물질을 사용하는 적층 능동형 자기 재생 냉동기에 대한 연구Study on the layered active magnetic regenerative refrigerator with multi-magnetic refrigerant

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자기냉동은 외부 자기장 변화에 따라 물질의 온도 또는 엔트로피가 변화하는 자기열량효과를 사용하는 냉동기법의 하나이다. 자기냉동은 고성능과 친환경적인 특성으로 인해 기존의 냉동시스템을 대체할 수 있는 가능성을 지니고 있다. 그러나 자기열량효과가 각 물질의 자성상태가 변화하는 전이온도 부근에서만 크게 나타나므로 넓은 온도범위에서의 작동이 매우 어려운 단점이 있다. 본 논문는 서로 다른 전이온도를 가지는 자성냉매를 사용하여 작동 온도범위를 증가시키는 적층식 능동형 자기 재생기를 통하여 77 K에서 20 K사이에서 작동하는 자기 냉동기에 대한 연구이다. 이를 위해 능동형 자기 재생기의 수치해석 모델을 수립하고 이를 가돌리늄을 사용하는 상온 능동형 자기 재생기의 실험 장치를 통해서 엄격하게 검증하였다. 이 과정에서 열전달 유체의 질량유량 및 압력진폭과 출, 입구 온도, 영구자석의 자기장 분포등이 측정되었고 수치해석의 경계조건으로 사용되었다. 수치해석 결과과 실험결과를 매우 잘 예측하고 있었으므로, 검증된 수치해석을 바탕으로 극저온 작동을 위한 적층식 자기 재생기의 설계에 적용하였다. 77 K에서 20 K 사이의 작동을 위해 GdNi2, Dy0.85Er0.15Al2, Dy0.5Er0.5Al2, and Gd0.1Dy0.9Ni2 와 같은 4개의 자성냉매를 선정하고, 각 단에 두개씩의 자성냉매가 사용되는 2단 냉동시스템을 설계하였다. 이 과정에서 각 단 자성냉매의 최적 적층 비율과 그에따른 질량유량을 설정하였다. 설계안을 바탕으로 시스템을 구성하였으며, 자화 및 탈자화 과정은 최대 4 T 이상의 자기장을 발생시키는 저온 초전도 자석의 교류 작동에 의해서 구현되었다. 열전달 유체인 기체 헬륨은 액체 질소용기에서 77 K 부근으로 냉각되어 재생기로 공급되었다. 실험결과 양 끝단의 온도차이는 56 K 최저 도달온도는 24 K으로 작동하였으며, 적층 비율과 질량 유량에 따른 냉동기의 성능 변화 역시 실험을 통해 비교되었다. 본 논문의 연구결과는 향후 다양한 온도범위에서 작동하는 능동형 자기 재생식 냉동기의 연구에 매우 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 생각된다.
Advisors
정상권researcherJeong, Sang-Kwon
Description
한국과학기술원 : 기계공학전공,
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2012
Identifier
511289/325007  / 020065036
Language
kor
Description

학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공, 2012.8, [ viii, 191 p. ]

Keywords

자기냉동; 능동형 자기 재생기; 적층식 재생기; magnetic refrigeration; active magnetic regenerator; layered regenerator; cryogenic refrigeration; 극저온 냉동

URI
http://hdl.handle.net/10203/181682
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=511289&flag=dissertation
Appears in Collection
ME-Theses_Ph.D.(박사논문)
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