초록 ▼

해당 연구기간 동안 본 연구팀은, 전도 냉각형 고온초전도 마그넷을 포함한 연속운전 단열 탈자냉동기를 개발하였으며, 단열 탈자냉동기와 능동형 자기 재생식 냉동기를 포함하는 자기냉동 기술의 수소 재액화로의 적용가능성을 타진하는 방향으로 연구가 진행되었음.

1. 실제 극저온 환경에서 작동하는 단열 탈자냉동기를 구성하였고, 이를 기반으로 실험을 수행함.

2. 단열 탈자냉동기를 구동하는데 필수적인 교류 전도냉각형 고온초전도 마그넷을 자체 개발하였으며, 최대 젓심자기장 3.5 T (직류), 젓심자기장 3.0 T 자속변

해당 연구기간 동안 본 연구팀은, 전도 냉각형 고온초전도 마그넷을 포함한 연속운전 단열 탈자냉동기를 개발하였으며, 단열 탈자냉동기와 능동형 자기 재생식 냉동기를 포함하는 자기냉동 기술의 수소 재액화로의 적용가능성을 타진하는 방향으로 연구가 진행되었음.

1. 실제 극저온 환경에서 작동하는 단열 탈자냉동기를 구성하였고, 이를 기반으로 실험을 수행함.

2. 단열 탈자냉동기를 구동하는데 필수적인 교류 전도냉각형 고온초전도 마그넷을 자체 개발하였으며, 최대 젓심자기장 3.5 T (직류), 젓심자기장 3.0 T 자속변화율 0.24 T s^-1 (교류) 의 성능을 달성함.

3. 상기 교류 전도냉각형 고온 초전도 마그넷을 포함한 단열 탈자냉동기를 구성하였으며, 이는 20 K 의 온도에서 냉각용량 5.9 J cycle^-1 의 성능을 달성함.

4. 액화수소의 온도인 20 K에서 단열 탈자냉동기를 연속적으로 작동시켜, 수소액화를 실현할 수 있는 가능성을 이론적, 실험적으로 보였음.

5. 단열 탈자냉동기의 성능에 영향을 미치는 파라미터를 실험적으로 분석하였음.

6. 융합연구의 일환으로 본 연구단의 6세부에서 새로운 방법으로 합성한 자성냉매를 적용하여 단열 탈자냉동기를 구성하였으며, 실험적으로 수소 재액화 시스템으로의 적용 가능성을 분석하였음.

또한 본 연구에서는 상기 단열 탈자냉동기의 예냉단 (precooling stage) 으로 적용할 능동형 자기 재생식 냉동시스템을 설계하고 제작하였음.

1. 20 K에서 77 K 의 넓은 온도범위에서 작동하는 능동형 자기 재생식 냉동기를 구현하기 위해 서로 다른 자성냉매를 복수의 재생기 내부에 병치하는 방법을 고안하였음.

2. 능동형 자기 재생식 냉동기의 성능 예측을 위한 모델을 수립하고 수치해석을 수행하여 능동형 자기 재생식 냉동기를 설계하고 그 성능을 예측하였음.

3. 기 수립된 수치해석 모델을 통해 능동형 자기 재생식 냉동기를 제작하였고, 능동형 자기 재생식 냉동기의 성능을 정확하게 평가하고 최적화할 수 있도록 실시간 측정장치를 제작하였음 .

4. 상기 능동형 자기 재생식 냉동기를 구동하는데 필수적인 교류 전도냉각형 고온초전도 마그넷을 위탁과제를 통해 개발하였으며, 최대 젓심자기장 3 T, 자속변화율 최대 1 T s^-1의 성능을 달성함.

5. 상기 교류 전도냉각형 고온 초전도 마그넷을 포함한 능동형 자기 재생식 냉동기를 구성하였으며, 실험을 통하여 20 K에서 77 K의 온도범위에서 작동함을 확인함.

본 연구과제의 1 mK 이하의 초극저온 냉각 기술 확보 및 이의 활용에 있어서, 본 연구과제의 1 단계 까지만 진행되었으며, 초극저온 냉각 기술 확보를 위해 초극저온 냉동기 제작에 집젓하였음.
1. 초극저온 자기 냉각을 위한 예냉 단계로 10 mK 이하까지 냉각이 가능한 희석식 냉각기를 제작. 냉각기의 부피 제한이 거의 없다는 무냉매 희석식 냉각기의 장점을 활용하여 초극저온 자기 냉동단을 희석식 냉각기 하단이 아닌 측면에 설치할 수 있는 역전형 자기 냉각단이 설치 가능하도록 주문 제작하였음.

2. 자기 냉각을 위해 100 cc 이상의 대용적에 7 T 이상의 고자기장을 형성할 수 있는 초전도 자석 주문 제작하였음.

3. 40 mole 이상의 무산소동으로 자기 냉각 냉매 제. 자화 및 탈자과정에서 와전류에 의한 발열을 최소화하기 위해 얇은 슬라이스 구조로 기계 가공 하였으며, 이의 열전도율을 높이기 위해 920 ℃에서 60 시간 동안 열처리하였음.

4. 상기 내용을 바탕으로 초극저온 냉각기를 제작하였음.

(출처 : 보고서 요약서 3p)

Abstract ▼

IV. Results
The adiabatic demagnetization refrigerator (ADR) system including a conduction-cooled AC (RE)BCO magnet is constructed and tested.

Prior to the integrated operation for the magnetic refrigerator, the (RE)BCO magnet is solely tested to check its plausible degradation during the

IV. Results
The adiabatic demagnetization refrigerator (ADR) system including a conduction-cooled AC (RE)BCO magnet is constructed and tested.

Prior to the integrated operation for the magnetic refrigerator, the (RE)BCO magnet is solely tested to check its plausible degradation during the fabrication process by DC excitation with field up to 3.5 T. Also, continuous AC energization is carried out to investigate the thermal stability of the (RE)BCO magnet (peak current of 3.0 T, average ramp rate of 0.24 T s^-1).

After the successful AC operation test, the magnetic refrigeration experiment is conducted. The continuous cyclic operation is achieved by using a forced-convection gas flow heat switch. The temperature span of the magnetic refrigerator is between 20 K and 22 K with the cooling power of 5.9 J cycle^-1. By the combination of the gas flow heat switch and the AC operation of (RE)BCO magnet, a silent operation with no moving part at cryogenic temperature is achieved for magnetic refrigeration. The present results signify that the conduction-cooled (RE)BCO magnet with AC operation has many possible applications in the cryogenic magnetic refrigeration for hydrogen reliquefaction purpose.

The AMR system which is to be applicable for hydrogen reliquefaction system operating between liquid nitrogen and liquid hydrogen temperature is designed by using four kinds of magnetic refrigerant in a layered structure. The one-dimensional numerical simulation program considering actual thermodynamic properties of the selected refrigerants is prepared to optimize the performance.

For the sake of simplicity in practical fabrication, a two-stage AMR is suggested and two different refrigerants are layered respectively in each stage. The estimation on entropy generation produced by the internal irreversibility in the AMR is useful to understand the significance of the operation and design parameters such as the amount of mass flow rate, the operation scenario, and the regenerator configuration.

The active magnetic regenerative refrigerator (AMRR) system with a conduction-cooled GdBCO magnet is constructed and tested. A continuous ramping operation test of the magnet was conducted with 3 T peak magnetic field and maximum 1 T s^-1 ramp rate. After the magnet test, the fabricated AMRR with the magnet is constructed and tested. Four different rare-earth intermetallic compounds (GdNi₂, Dy_0.85Er_0.15Al₂, Dy_0.5Dr_0.5Al₂ and Gd_0.1Dy_0.9Ni₂) are utilized according to their favorable temperature regions. The AMRR is composed of two stages each of that is made of two different porous active magnetic regenerators. Helium gas as the heat transfer medium in the magnetic refrigerator is shuttled by using helium compressor. The AMRR is continuously operated between 77 K and 20 K. This large temperature span indicates its potential usage of hydrogen liquefaction.

We were able to construct a nuclear demagnetization cryostat based on a cryogen-free dilution refrigerator. The cryostat is capable of achieving sub-mK temperature. The system is unique in that it has an inverted nuclear demagnetization stage, that is the nuclear stage sits next to the dilution refrigerator, not at the bottom of it. The inverted geometry is less prone to vibration that can lead to heating of the system.

(출처 : SUMMARY 9p)

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2보고서 요약서 ... 3요 약 문 ... 6SUMMARY ... 9CONTENTS ... 13목차 ... 15제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 17 1. 연구목표 ... 17 2. 연구내용 ... 17 3. 기대효과 ... 18제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 20제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과 ... 30 1. 연속 단열 탈자냉동기의 개발 ... 30 가. 고온 초전도 마그넷 시스템 구축 및 성능시험 결과 [1-2] ... 30 나. 단열 탈자냉동 시스템 구축 ... 33 다. 단열 탈자냉동 시스템 성능시험 및 파라미터 분석결과 [3-4] ... 33 라. 새로운 자성냉매를 사용한 단열 탈자냉동 시스템 성능시험 및 고찰 ... 37 2. 능동형 자기 재생식 냉동기의 개발 ... 64 가. 고온 초전도 마그넷 시스템 [5] ... 64 나. 능동형 자기 재생식 냉동기 설계 [6] ... 69 다. 저온 초전도 자석을 이용한 능동형 자기 재생식 냉동기의 제작과 성능 평가 [7] ... 71 라. 고온 초전도 자석을 이용한 능동형 자기 재생식 냉동기의 제작과 성능 평가 ... 74 3. 자기 냉동기를 이용한 수소재액화 시스템 ... 77 4. 단열 핵 탈자기 냉각용 CNDS (Copper Nuclear Demagnetization Stage) 개발 ... 130 가. 냉매선택 ... 130 나. 냉매의 열용량과 초전도 마그넷 설계 ... 130 다. CNDS 설계 및 제작 ... 131 라. 새로운 형식의 CNDS 와 무 냉매 희석식 냉각장치의 결합방법 ... 131제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 140 1. 연구목표 및 평가 ... 140 가. 최종목표 ... 140 나. 평가의 착안점 ... 141 다. 목표의 달성도 및 평가 ... 142 2. 대외 기여도 ... 143제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 149제 6 장 참고문헌 ... 150끝페이지 ... 151