초록 ▼

자기냉동에 이용되는 자성재료의 자기열량효과를 실증하고 자기냉매의 열물리적 특성과 열역학적 성질을 파악함으로써 자기냉동의 기초자료를 획득/구비하고, 실험용 자기냉동기의 원형을 설계/제작하여 성능을 시험함으로써 자기냉동의 실용가능성을 타진한다.
1차년도의 연구목표는 자성재료의 자기열량효과를 실증하고, 자기냉매의 열물리적 특성을 조사하는 것이다. 이를 위해서 현재 자기냉동에 적용하기에 가장 적합한 자성 재료로 알려져 있는 가돌리늄(Gd) 샘플을 입수하여, 자기장의 변화에 의한 가돌리늄 샘플의 온도변화를 직접 측정하고, 또한 측정된

자기냉동에 이용되는 자성재료의 자기열량효과를 실증하고 자기냉매의 열물리적 특성과 열역학적 성질을 파악함으로써 자기냉동의 기초자료를 획득/구비하고, 실험용 자기냉동기의 원형을 설계/제작하여 성능을 시험함으로써 자기냉동의 실용가능성을 타진한다.
1차년도의 연구목표는 자성재료의 자기열량효과를 실증하고, 자기냉매의 열물리적 특성을 조사하는 것이다. 이를 위해서 현재 자기냉동에 적용하기에 가장 적합한 자성 재료로 알려져 있는 가돌리늄(Gd) 샘플을 입수하여, 자기장의 변화에 의한 가돌리늄 샘플의 온도변화를 직접 측정하고, 또한 측정된 자화 및 비열 데이터로부터 등온자기 엔트로피변화와 단열온도변화를 계산하였다.
2차년도의 연구목표이자 본 연구의 최종 연구목표는 자기냉동의 실현 가능성을 타진하는 것이다. 이를 위해서 실증실험용 자기냉동기(Prototype)를 설계 및 제작하여, 시작품의 성능을 실험하였다. 주요 조사항목으로는 고온부와 저온부의 온도, 냉각능력, 그리고 사이클 주기의 영향 등이다. 자기냉매(가돌리늄 리본)가 자화에 의한 발열 부에서는 냉매로부터 액체로의 대류열전달에 의해서 액체의 온도가 올라가고, 반대로 소자에 의한 냉각부에서는 액체의 온도가 떨어지게 된다. 본 실험에서는 원판의 회전 속도를 변화시키며 용기 내의 8개로 나눠진 칸에서의 액체의 온도변화를 측정하였다.
순수물질 중에서 자기열량효과가 가장 크다고 알려진 가돌리늄의 자기열량효과에 대한 실증실험을 수행한 결과, 직접 측정된 온도변화( △H =0.5, 1.0, 1.5, 2.0 T일 때 △T =0.8, 2.0, 3.0, 4.1℃)는 참고문헌에 보고된 수치( △H =2 T, △T =5.8℃)에는 못 미쳤으나, 가돌리늄의 자기열량효과에 대한 경향은 정성적으로 확인할 수 있었다. 한편, 가돌리늄 샘플을 이용해서 측정한 자화 및 비열 데이터로부터 계산한 자기열량효과를 참고문헌에서의 결과와 비교해 보면, 자기엔트로피변화는 조금 낮고 단열온도변화는 조금 높은 것으로 나타나는데, 둘 다 2% 이내의 오차로 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.
자기냉동기의 실현 가능성을 타진하기 위해서, 자기열량효과가 큰 자성재료인 가돌리늄 리본과 상당히 높은 자기장을 형성하는 영구자석인 상용 NdFeB자석을 이용한, 실온에서 작동하는 회전식 자기냉동 실험장치를 구성하고 실험을 수행하였다. 본 실험을 통해 0.5 mm 두께의 비교적 작은 양의 가돌리늄과 상용 영구자석을 이용한 실험장치에서, 고온부(발열부)와 저온부(냉각부)가 형성되는 것을 보임으로써 자기냉동의 원리를 실증하였고, 자기냉매의 자기열량효과가 자기장의 방향에도 상당한 영향을 받는다는 것을 보였다.

Abstract ▼

The aim of this study is the proof of MCE in magnetic materials and the accumulation of thermophysical and thermodynamic property data of magnetic refrigerants. And the feasibility of magnetic refrigeration is studied by the performance test of the magnetic refrigerator prototype which will be desig

The aim of this study is the proof of MCE in magnetic materials and the accumulation of thermophysical and thermodynamic property data of magnetic refrigerants. And the feasibility of magnetic refrigeration is studied by the performance test of the magnetic refrigerator prototype which will be designed and produced using the collected property data.
The aim of the first year is to demonstrate the MCE in magnetic materials and to study the thrmophysical properties of magnetic refrigerants. In order to do that, the researcher obtained the gadolinium sample, which is known to be the best magnetic material at present for magnetic refrigeration, and measured directly the temperature change due to the change of magnetic field, and also calculated the isothermal magnetic entropy change and adiabatic temperature change from magnetization and heat capacity data measured in this study.
The aim of the second year is to examine the feasibility of the magnetic refrigeration. In order to do that, the researcher designed and made a rotary magnetic refrigeration device and performed the experimental study on it. The items studied were temperature difference between high and low temperature regions, refrigeration capacity, and the effect of the cycle period. In the experiments, the temperature of the liquid in each divided section of the container was measured at different speeds of revolution of the wheel.
The demonstrative experiments on the MCE of the gadolinium sample resulted in temperature differences ( △T =0.8, 2.0, 3.0, 4.1℃ for △H =0.5, 1.0, 1.5, 2.0 T ), which were less than the values in the reference ( △T=5.8℃ for △H =2 T ), however, the characteristics of the MCE in magnetic materials were demonstrated qualitatively. And the isothermal magnetic entropy change and adiabatic temperature change calculated from the magnetization and heat capacity data measured in this study were compared with the values in the reference and they agreed well within the difference of less than 2%.
In order to examine the feasibility of the magnetic refrigerator, a rotary magnetic refrigeration device using gadolinium ribbon and commercial NdFeB magnets were made and tested. The experimental results demonstrated the principle of magnetic refrigeration by showing the occurrence of high-temperature and low-temperature regions with relatively small amount of gadolinium and permanent magnets. And it was shown that the MCE of the magnetic refrigerant was greatly affected by the direction of the magnetic field.
Magnetic refrigeration does not use CFC, HCFC, HCF, as the conventional gas compression cycle does; therefore, it has the great opportunity of getting spotlight in 21st century when the environment is emphasized, in that it does not deplete ozone layer and it is harmless to both human being and environment. Magnetic refrigeration may receive a great deal of interest in air conditioning and refrigeration field if its price is lowered and its efficiency is increased. However, magnetic refrigerators will be available only after the breakthrough in the fields of material science and refrigeration technology.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구방법 및 이론...7
• 3. 결과 및 고찰...8
• 4. 결론...20
• 5. 인용문헌...21