[논문]상온 능동형 자기 재생 냉동기의 개발

박인명; 김영권; 정상권

doi:10.9714/sac.2012.14.3.060

[국내논문] 상온 능동형 자기 재생 냉동기의 개발
Development of the active magnetic regenerative refrigerator for room temperature application 원문보기

한국초전도·저온공학회논문지 = Superconductivity and cryogenics, v.14 no.3, 2012년, pp.60 - 64

박인명 (KAIST 기계공학과) , 김영권 (KAIST 기계공학과) , 정상권 (KAIST 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an investigation of a room temperature active magnetic regenerative refrigerator is carried out. Experimental apparatus includes two active magnetic regenerators containing 186 g of Gd spheres. Four E-type thermocouples are installed inside the Active magnetic regenerator(AMR) to observe the instantaneous temperature variation of AMR. Both warm and cold heat exchangers are designed for large temperature span. The cold heat exchanger, which separates the two AMRs, employs a copper tube with length of 80 mm and diameter of 6.35 mm. In order to minimize dead volume between the warm heat exchanger and AMRs, the warm heat exchangers are located close to the AMRs. The deionized water is used as a heat transfer fluid, and maximum 1.4 T magnetic field is supplied by Halbach array of permanent magnets. The AMR plate, which contains the warm and the cold heat exchangers and the AMRs, has reciprocating motion using a linear actuator and each AMR is alternatively magnetized and demagnetized by a Halbach array of permanent magnet. Since the gap of the Halbach array of permanent magnets is 25 mm and two warm heat exchangers have the motion through it, a compact printed circuit heat exchanger (PCHE) is used as a warm heat exchanger. A maximum no-load temperature span of 26.8 K and a maximum cooling power of 33 W are obtained from the fabricated Active Magnetic Regenerative Refrigerator (AMRR).

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문제 정의

기존 연구에서 볼 수 있듯이 AMR의 길이와 수직인 방향으로 AMR을 왕복 운동시키는 시스템은 거의 연구가 진행이 되고 있지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 AMR의 길이와 수직인 방향으로 AMR을 왕복 운동시켜 자화, 탈자화를 수행하는 자기 냉동시스템을 제작하였고 그에 대한 결과에 대하여 기술하였다.

제안 방법

저온부 열교환기는 Fig. 5에 묘사한 것과 같이 1/4인치 구리 튜브로 제작하였으며, 외부 표면에 저항 10 Ω인 니크롬선이 감겨있어 직류전원공급장치 (DC power supply)로 전류를 흘려보내어 냉각 부하를 주었고 디지털 멀티미터(Fluke 187, Keithley 175A)를 이용하여 전류를 측정하였다.
AMR은 1/2인치 스테인레스 스틸(Stainless steel)튜브에 지름 0.3∼0.7 mm인 가돌리늄 파우더(Gd powder) 93 g을 충전하여 양쪽 끝을 스테인레스 스틸 메쉬(200 mesh)로 막고 황동(Brass) 덮개(Cover)와 튜브를 납땜하여 마무리하였다.
5에 묘사한 것과 같이 1/4인치 구리 튜브로 제작하였으며, 외부 표면에 저항 10 Ω인 니크롬선이 감겨있어 직류전원공급장치 (DC power supply)로 전류를 흘려보내어 냉각 부하를 주었고 디지털 멀티미터(Fluke 187, Keithley 175A)를 이용하여 전류를 측정하였다. 구리 튜브와 니크롬선 사이에는 서멀 구리스(NANOTIM TGS A300)를 도포하여 접촉 열저항을 최소화하였고 에폭시(Stycast 2850FT)로 고정하였다. Fig.
7 mm인 가돌리늄 파우더(Gd powder) 93 g을 충전하여 양쪽 끝을 스테인레스 스틸 메쉬(200 mesh)로 막고 황동(Brass) 덮개(Cover)와 튜브를 납땜하여 마무리하였다. 또한 AMR 내부에 총 4개의 지름 32 AWG인 E형 열전대 (E-type thermo couple)를 삽입하여 내부의 온도변화를 측정하였다.
고온부의 열교환기는 효율이 뛰어나야 하고 영구 자석의 사이로 왕복운동을 하기 때문에 높이가 25 mm이하이어야 한다. 따라서 공기와의 접촉면적이 넓고 냉각팬이 필요한 공냉식 열교환기 대신 항온조의 물을 순환시켜 작동유체를 냉각하는 수냉식 열교환기를 사용하였다. 고효율의 열교환기를 얻기 위해서는 열전달 면적을 넓혀야 하기 때문에 제한된 공간으로 인하여 일반적인 판형 열교환기에 비해 작고 효율이 높은 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)[4]를 제작하여 사용하였다.
AVR 모듈은 LabView 프로그램에서 나오는 신호를 통하여 AMR 판과 디스플레이서 피스톤의 왕복운동을 동기화 시킨다. 디스플레이서 양쪽 출구에는 두개의 압력계(Sensotec)가 연결되어 있어 실험시 피스톤을 움직일 때 발생하는 전체 시스템의 압력강하를 측정하였다.
또한 저온부 열교환기에 직류전원공급기를 통하여 10 Ω의 니크롬선에 전류를 가하여 냉동 부하를 주었고 동일하게 AMR 내부 온도를 측정하였다.
질량유량은 5∼20 g 범위 사이로 설정하여 AMR 내부에 설치된 4개의 E형 열전대로 AMR 내부 온도를 측정하였다.
실험은 저온부의 냉동 부하가 없을 때와 저온부에 냉동 부하를 걸었을 경우로 각각 진행되었다. 실험 조건은 Table 3에 나타낸 바와 같다.
실험 조건은 Table 3에 나타낸 바와 같다. 저온부에 냉동 부하가 없을 때 고온부 열교환기에 유입되는 유체의 온도를 300, 305 K으로 설정하여 실험을 수행하였다. 질량유량은 5∼20 g 범위 사이로 설정하여 AMR 내부에 설치된 4개의 E형 열전대로 AMR 내부 온도를 측정하였다.
질량유량은 5∼20 g 범위 사이로 설정하여 AMR 내부에 설치된 4개의 E형 열전대로 AMR 내부 온도를 측정하였다. 작동시 AMR에 자기장이 인가되었을 때 저온부에서 고온부로 질량유량이 흐르고 AMR이 탈자화되었을 때 고온부에서 저온부로 질량유량이 흐르도록 하였다. 또한 저온부 열교환기에 직류전원공급기를 통하여 10 Ω의 니크롬선에 전류를 가하여 냉동 부하를 주었고 동일하게 AMR 내부 온도를 측정하였다.
본 연구의 자기 냉동기는 유동이 한쪽 방향으로만 흐르지 않고 왕복 운동을 하기 때문에 AMR의 온도는 주기적으로 변하게 된다. 따라서 고온부와 저온부의 온도차이를 Fig. 8에서 주기적 평형상태일 때 각각 T1, T4의 온도를 평균을 내어 구하였다. 최고 온도차이는 고온부 열교환기 온도 305 K, 질량 유량 10 g/s를 왕복시켰을 때 26.
자기열량효과를 가지는 자성 냉매를 이용한 새로운 개념의 자기 냉동기를 제작하였다. 탠덤 방식으로 AMR 사이에 저온부 열교환기를 위치시켜 효율적으로 저온부의 온도를 내리도록 하였으며 AMR 길이의 수직인 방향으로 왕복 운동하는 자기 냉동기를 설계하고 실제로 구현하여 성능을 측정하였다.
자기열량효과를 가지는 자성 냉매를 이용한 새로운 개념의 자기 냉동기를 제작하였다. 탠덤 방식으로 AMR 사이에 저온부 열교환기를 위치시켜 효율적으로 저온부의 온도를 내리도록 하였으며 AMR 길이의 수직인 방향으로 왕복 운동하는 자기 냉동기를 설계하고 실제로 구현하여 성능을 측정하였다. 본 연구에서 제작한 자기 냉동기 성능은 최대 냉각 용량 33 W, 최대 온도 차이(temperature span) 26.

대상 데이터

따라서 공기와의 접촉면적이 넓고 냉각팬이 필요한 공냉식 열교환기 대신 항온조의 물을 순환시켜 작동유체를 냉각하는 수냉식 열교환기를 사용하였다. 고효율의 열교환기를 얻기 위해서는 열전달 면적을 넓혀야 하기 때문에 제한된 공간으로 인하여 일반적인 판형 열교환기에 비해 작고 효율이 높은 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)[4]를 제작하여 사용하였다. 본 연구에서 사용하는 PCHE는 Fig.
고효율의 열교환기를 얻기 위해서는 열전달 면적을 넓혀야 하기 때문에 제한된 공간으로 인하여 일반적인 판형 열교환기에 비해 작고 효율이 높은 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)[4]를 제작하여 사용하였다. 본 연구에서 사용하는 PCHE는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 높이 0.3 mm, 폭 0.4 mm의 채널로 구성되어 있으며, 매우 작은 채널 크기로 인하여 기존의 판형 열교환기와는 다른 제조 공정이 요구된다. PCHE는 마이크로 포토 에칭(Micro photo etching)과 확산 접합(Diffusion bonding) 기술을 사용하여 제작한다.
본 실험 장치에서는 총 두개의 선형이송기(Linear actuator)를 사용하고 있다. Fig.
5 Hz이다. 작동 유체는 탈이온수(Deionized water)를 사용하였고 고온부의 온도는 300 K, 305 K으로 설정하였다. AMR의 내경은 12 mm, 길이는 160 mm이고 총 두개의 AMR이 사용되었다.
AMR에는 지름 0.3 ∼ 0.7 mm의 구 형태를 띄고 있는 가돌리늄이 충전되어 있고 AMR 하나당 93 g, 총 186 g이 사용되었다.
탠덤 방식으로 AMR 사이에 저온부 열교환기를 위치시켜 효율적으로 저온부의 온도를 내리도록 하였으며 AMR 길이의 수직인 방향으로 왕복 운동하는 자기 냉동기를 설계하고 실제로 구현하여 성능을 측정하였다. 본 연구에서 제작한 자기 냉동기 성능은 최대 냉각 용량 33 W, 최대 온도 차이(temperature span) 26.8 K을 기록하였다.
작동 유체는 탈이온수(Deionized water)를 사용하였고 고온부의 온도는 300 K, 305 K으로 설정하였다. AMR의 내경은 12 mm, 길이는 160 mm이고 총 두개의 AMR이 사용되었다. AMR에는 지름 0.

데이터처리

이 왕복운동을 통하여 판에 고정되어 있는 AMR이 자화, 탈자화하게 된다. 선형 이송기의 제어는 LabView 프로그램을 사용하였다. 작동 유체를 왕복 운동시키는 디스플레이서(Displacer)로는 스테인레스 스틸 재질의 더블 액팅 실린더(Double acting cylinder)를 사용하였고 이는 LIMO사의 선형이송기(EZHP6C-10)를 통하여 피스톤을 움직인다.

이론/모형

4 mm의 채널로 구성되어 있으며, 매우 작은 채널 크기로 인하여 기존의 판형 열교환기와는 다른 제조 공정이 요구된다. PCHE는 마이크로 포토 에칭(Micro photo etching)과 확산 접합(Diffusion bonding) 기술을 사용하여 제작한다.

성능/효과

8 K으로 측정되었다. 고온부 열교환기 항온조의 온도가 300 K일 때는 모든 질량 유량 구간에서 온도 차이가 작음을 확인하였다. Fig.
이 때 고온부 열교환기 항온조의 온도는 300 K으로 고정하여 실험하였다. 결과를 보면 5 g/s를 제외하고 질량 유량이 작을수록 고온부와 저온부의 온도차이가 큰 경향을 보이고 있다. 하지만 최고 냉동 부하는 질량 유량에 비례하여 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기 냉각시스템이란?	자기 냉각시스템(magnetic refrigeration)은 지구 온난화와 오존층 파괴를 유발하는 환경에 유해한 프레온가스 대신에 고체 냉매를 사용하고 압축기 대신 자석을 사용하여 물질을 냉각시키는 기술이다. 이러한 자기냉각기술은 자기열량효과에 기반을 둔 것인데 자기열량효과 (magnetocaloric effect)란 단열상태에서 강자성물질에 외부에서 강한 자기장을 걸어 자화시키 면 자성 물질의 온도는 증가하고 탈자화시키면 온도가 내려가는 현상을 말하며 1881년 Warburg에 의해 철에서 최초로 발견되었다.
	자기열량효과란?	자기 냉각시스템(magnetic refrigeration)은 지구 온난화와 오존층 파괴를 유발하는 환경에 유해한 프레온가스 대신에 고체 냉매를 사용하고 압축기 대신 자석을 사용하여 물질을 냉각시키는 기술이다. 이러한 자기냉각기술은 자기열량효과에 기반을 둔 것인데 자기열량효과 (magnetocaloric effect)란 단열상태에서 강자성물질에 외부에서 강한 자기장을 걸어 자화시키 면 자성 물질의 온도는 증가하고 탈자화시키면 온도가 내려가는 현상을 말하며 1881년 Warburg에 의해 철에서 최초로 발견되었다.
	자기냉동기는 크게 어떻게 구분되는가?	현재 연구되고 있는 자기냉동기는 크게 두가지로 나누어 볼 수 있다. 한가지는 단열 탈자 냉동기 (ADR, Adiabatic Demagnetization Refrigerator)로 일반적인 압축, 팽창 사이클 냉동 시스템으로는 도달할 수 없는 1 K이하의 매우 낮은 온도에서의 냉각에 사용되고 있으며 실제로 우주에서 작동하는 극저온 냉동기로 응용되고 있다. 다른 하나는 능동형 자기 재생식 냉동기 (AMRR, Active Magnetic Regenerative Refrigerator)이다[1]. 이는 단열 탈자 냉동기와는 달리 자성 냉매를 재생기의 재생 물질로써 사용하고 유체가 그 재생기 내부를 왕복하면서 열전달을 한다. Fig.

참고문헌 (4)

Barclay, J.A., Steyert, W.A., "Active magnetic regenerator", US patent No.4332135., 1982.
Nakamura, K., Kawanami, T., Hirano, S., Ikegawa, M., Fumoto, K., "Improvement of room temperature magnetic refrigeration using air as heat transfer fluid" In : Thermal Issues in Emerging Technologies, ThETA 2, Cairo, Egypt, 17-20 December, pp. 323-330, 2008.
Zheng, Z,G., Yu, H.Y., Zhong, X.C., Zeng, D.C., Liu, Z.W., "Design and performance study of the active magnetic refrigerator for room - temperature application", International Journal of Refrigeration 32, pp. 78-86, 2009.

상세보기
Jin Hyuck Kim, Seungwhan Baek, Sangkwon Jeong, Jeheon Jung, "Hydraulic performance of a microchannel PCHE", Applied Thermal Engineering, Vol.30, pp. 2157-2162, 2010.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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