[논문]자기냉동/냉장고와 공조기

이종석

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이종석 (강릉대학교 정밀기계공학과)

1990년대 중반부터 후반에 결쳐 미국의 Astronautics사와 Ames연구소에 의한 공동연구결과는 자기냉동이 실현 가능한기술이며 가스액화,음식 냉동 및 저장, 대규모 건물 공조 등에 있어서 기존의 증기압축냉동에 필적할 만하다는 것을 밝혔다. 더 최근의 연구와 개발 노력은 자기장 원(source)으로 $Nd_2Fe_{14}B$ 영구자석배열을 이용한 회전식 자기냉동기가 가정용 공조기나 냉동/냉장고에 사용될 수 있음을 나타내고있다. Gd 금속구를 사용한 2단 자기 냉동/냉장고의 예비설계는 냉동실 온도가 $-12^{\circ}C(10^{\circ}F)$, 냉동실 온도가 $-1^{\circ}C(30^{\circ}F)$에서 전체 성능계수 3 그리고 냉각능력 120W를 얻을 수 있음을 제시한다. 자기장 원으로서 개선된 영구자석 배열을 이용한다면 카르노 효율의 60%와 성능계수 4.5에 이를 수 있을 것으로 보여진다. 그리고 자기냉동은 오존층 파괴물질 (CFC's)이나 온설가스(HCFC's와 HFC's)를 사용하지 않기 때문에 깨끗한 환경을 만드는데 기여한다. 동시에 상용 Gd으로부터 거대한 자기열량효과를 가진 재료인 $Gd_5(Si_2Ge_2)$를 kg 단위로 생산할 수 있는 정도로 연구가 진전되었다. 이 신재료를 저렴한 가격에 얻을 수 있게 됨으로써 Gd 금속을 자기냉매로 사용하도록 설계 되었던 공조기나 냉동/냉장고의 효율이 더 좋아질 것으로 예상된다.

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문제 정의

9≤x≤L0 범위의 Gd5(SixGei~x)4이다. 이 재료를 kg 단위로 만드는 방법이 같은 논문에서 논의되었다.

가설 설정

냉장실에 사용되는 AMR 자기냉매로는 가돌리늄 금속이 선택되었다. 이 원형은 초당 0.25회전의 주파수로 작동하는 것으로 가정하고 영구자석은 15 kOe(다음절 참조)의 자기장을 발생시키는 것으로 가정 하였다. 2단 자기 냉동/냉장고에 대한 계산결과는 표 1에 요약되어 있다.

제안 방법

설계와 모델링 연구는 미국시장에서 평균크기의 전형적인 가정용 냉동/냉장고(냉장실과 냉동실 조합)에 대해 이루어졌다. 냉장실(-1℃, 30℉)과 냉동실(-12 ℃, 10℉)의 서로 다른 냉각조건을 만족시키기 위해, 각각 별도의 NdaFeuB 영구자석 배열(아래 참조)과 능동 자기재생기 (active magnetic regenerator, AMR) 재료를 가진 2단(two stage) 의 장치가 고안되었다. 냉동실로부터 제거된 열은 냉장실의 저온부 열교환기로 소산되고, 이 열은 냉동/냉장고의 고온부 열교환기에서 실내공기로 배출된다.
회전식 자기 냉동/냉장고의 개략도가 그림 3에 나타나 있다. 설계와 모델링 연구는 미국시장에서 평균크기의 전형적인 가정용 냉동/냉장고(냉장실과 냉동실 조합)에 대해 이루어졌다. 냉장실(-1℃, 30℉)과 냉동실(-12 ℃, 10℉)의 서로 다른 냉각조건을 만족시키기 위해, 각각 별도의 NdaFeuB 영구자석 배열(아래 참조)과 능동 자기재생기 (active magnetic regenerator, AMR) 재료를 가진 2단(two stage) 의 장치가 고안되었다.
상세한 모델링 연구 없이 얼마나 향상될 것인가를 예측하는 것은 어려우며 가까운 미래에 시험이 수행될 것이다. 아래에 설명된 대로 저자들은 자기냉매에 의해 느껴지는 자기장의 세기를 최소 50%까지 증가시킬 수 있는 복잡한 다부품 영구자석 배열을 설계하였다. 실증실험장치로부터의 경험에 비추어 볼 때 저자들은 효율이 카르노효율의 60% 정도까지 증가하고, 성능계수도 50% 정도 즉, 냉동실은 9, 냉장실은 5.
또한 그림 5b에서 보는 바와 같이 공간(부분 11)에 자속을 증가시키기 위해 FeVCo로 된 2개의 연자석 극편(부품 9와 10)을 부품 2와 6 사이에 삽입하였다. 자속 손실을 막고 자기 장의 세기를 증가시키기 위해 연철자석 외피(부품 12)로 배열 주위를 둘러싸게 하였다. 예상했던 대로 이러한 변경은 공간에서의 자기장을 26kOe까지 높여주었다.
베드가 자화될 때 열을 제거하기 위해 물이 열전달 매질로 이용되며, 이와 동시에 소자되는 베드에서는 물이 냉각된다. 전체 시스템의 성능을 평가하기 위해 장치내의 온도와 유체유량을 측정하였다. 자세한 내용은 Zimm 등의 논문에 발표되었다.

대상 데이터

5에서 거대한 자기열량효과가 나타나는데, 이것은 비슷한 자기 정렬온도를 갖는 다른 재료에서보다 50-200% 큰 값이다. 18개월 전까지는 Gds(SkGei-x)4 화합물은 아크용융법에 의해 10~25 g 의 인곳(ingot)으로 만들어졌으며, 대부분 Ames연구소 에서 만든 고순도 Gd 금속을 사용하였다. 자기 냉동/냉장고는 대당 1 kg 정도의 자기냉매를 사용할 것이기 때문에 이러한 재료를 대량으로 생산하는 방법을 개발할 필요가 있다.
냉동실로부터 제거된 열은 냉장실의 저온부 열교환기로 소산되고, 이 열은 냉동/냉장고의 고온부 열교환기에서 실내공기로 배출된다. 냉장실에 사용되는 AMR 자기냉매로는 가돌리늄 금속이 선택되었다. 이 원형은 초당 0.

성능/효과

더 최근의 연구와 개발 노력은 자기장 원(source)으로 NdzFeuB 영구자석배열을 이용한 회전식 자기냉동기가 가정용 공조기나 냉동/냉장고에 사용될 수 있음을 나타내고있다. Gd 금속구를 사용한 2단 자기 냉동/냉장고의 예비설계는 냉동실 온도가 -12 ℃(10℉), 냉동실 온도가 -1℃(30℉)에서 전체 성능계수 3 그리고 냉각능력 120 W를 얻을 수 있음을 제시한다. 자기장 원으로서 개선된 영구자석 배열을 이용한다.
자기 냉동/냉장고는 대당 1 kg 정도의 자기냉매를 사용할 것이기 때문에 이러한 재료를 대량으로 생산하는 방법을 개발할 필요가 있다. 또한 상용(값싼) Gde 자기열량효과를 파괴하는 탄소함량이 많은 것으로 밝혀졌다. 이러한 문제점들과 몇 가지 다른 문제들은 해결되었으며, 현재는 한 번에 Gd5(SixGei-x)i 화합물을 1kg씩 만들 수 있게 되었다.
또한 자기장도 영향을 미친다. 말하자면 자기장의 세기가 3 T(tesla)보다 작을 때는 최고 성능이 분당 4리터의 유량에서 나타나는 반면 자기장의 세기가 4 T이상일 때는 최고 성능이 분당 5리터의 유량에서 나타났다(여기서 T는 자속밀도의 단위인 tesla (=webers/m2)를 의미하며, 1 tesla는 104 gauss에 해당한다. : 역자주).
아래에 설명된 대로 저자들은 자기냉매에 의해 느껴지는 자기장의 세기를 최소 50%까지 증가시킬 수 있는 복잡한 다부품 영구자석 배열을 설계하였다. 실증실험장치로부터의 경험에 비추어 볼 때 저자들은 효율이 카르노효율의 60% 정도까지 증가하고, 성능계수도 50% 정도 즉, 냉동실은 9, 냉장실은 5.8, 전체적으로는 4.5 정도까지 증가할 것으로 예상한다.
표 1에 나타난 데이터로부터 볼 수 있듯이 2실로 구성된 냉장고는 카르노 효율의 50%로 작동하는데, 성능계수는 냉동실이 6, 냉장실이 3.85로서, 전체적으로는 3.0의 성능계수를 갖는다. 이 성능(즉, .

후속연구

게다가 자기냉각은 에너지 사용에 있어서 기존 냉각시스템보다 30%정도 작게 사용할 것으로 예상되기 때문에, 에너지 소비량을 감소시키고 대기로 방출되는 CO2의 양을 줄여줄 수 있다. 대기로 방출되는 온실가스의 감소는 그런 가스배출에 대한 교토(Kyoto) 목표치를 만족시키는 데 기여할 것이다.
아직 해결해야 할 중요한 문제 중의 하나는 Gd5(SixGei-x)4 재료를 AMR 베드에서 사용될 수 있도록 지름이 150-300 ㎛인 작은 구로 만드는 것이다. 앞으로 18개월 동안 이런 면의 자기냉동재료 연구에 노력을 집중할 것이다.

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