보고서 정보
주관연구기관 |
한국과학기술원 Korea Advanced Institute of Science and Technology |
연구책임자 |
정상권
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2022-03 |
과제시작연도 |
2021 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO202200013194 |
과제고유번호 |
1711143298 |
사업명 |
개인기초연구(과기정통부)(R&D) |
DB 구축일자 |
2022-10-18
|
키워드 |
선형 압축기.흡착 펌프.자성 냉매.재생기.초전도 자석.linear compressor.sorption pump.magnetic refrigerant.regenerator.superconducting magnet.
|
초록
▼
□ 연구개요
본 연구는 스털링형 맥동관 냉동기, 흡착식 줄-톰슨 냉동기, 단열탈자 냉동기를 각각 개발하여 최종적으로 4 K 이하 온도에 도달하는 하이브리드 냉동 방식을 개발하는 것을 목표로 함. 스털링형 맥동관 냉동기의 구성 요소 (초전도 선형 압축기, 재생기 등)를 상용 프로그램을 통해 설계한 후, 제작하여 냉각 특성을 실험적으로 검증함.
흡착식 줄-톰슨 냉동기의 구성 요소인 흡착 펌프를 제작하였고 열적 연결부를 설계하여 흡착식 펌프 실험을 수행하였으며, 열교환기와 흐름제한기 설계 및 제작을 통해 5 K 도달 여부를 확
□ 연구개요
본 연구는 스털링형 맥동관 냉동기, 흡착식 줄-톰슨 냉동기, 단열탈자 냉동기를 각각 개발하여 최종적으로 4 K 이하 온도에 도달하는 하이브리드 냉동 방식을 개발하는 것을 목표로 함. 스털링형 맥동관 냉동기의 구성 요소 (초전도 선형 압축기, 재생기 등)를 상용 프로그램을 통해 설계한 후, 제작하여 냉각 특성을 실험적으로 검증함.
흡착식 줄-톰슨 냉동기의 구성 요소인 흡착 펌프를 제작하였고 열적 연결부를 설계하여 흡착식 펌프 실험을 수행하였으며, 열교환기와 흐름제한기 설계 및 제작을 통해 5 K 도달 여부를 확인함. 단열탈자 냉동기를 위해 초전도 자석과 열스위치를 설계한 후 제작하여 4 K 이하의 냉각 온도를 달성하였음. 이후, 냉동기 연계를 위해 각 냉동기 별로 목표 냉각 온도 이하의 최저 온도를 확보하고, 규모 확대 설계를 진행함.
그리고 단계별 열적 부하의 분포를 파악하여 냉동기 간의 연결부를 설계함.
□ 연구 목표대비연구결과
80 K ~ 2 K 구간에서 작동하는 다단 냉각 시스템으로 20 K 용 스털링형 맥동관냉동기, 5 K 용 이중 흡착식 줄-톰슨 냉동기, 4 K 이하 달성용 단열탈자 냉동기를 설계, 제작, 실험을 수행함. 맥동관 냉동기용 초저온 선형 압축기, 재생기, 저온 위상조절기구를 설계하였고, 흡착식 줄-톰슨 냉동기용 평판형 흡착 펌프의 구조를 설계함. 단열탈자 냉동기용 초전도 자석을 설계하였고 초전도 열 스위치의 비정상 전도열전달 특성을 파악함. 이후 맥동관 냉동기 제작을 위해 구동부인 초저온 선형 압축기의 피스톤과 실린더를 제작하였고, 재생기, 위상 조절기, 후냉각기, 맥동관 등의 구성품을 제작함. 흡착식 줄-톰슨 냉동기 제작으로는 활성탄을 이용하여 흡착 펌프를 제작하였고 성능 실험을 수행함. 그리고 흡착 펌프의 모델을 수립하여 줄-톰슨 냉동기 성능을 예측하였고 줄-톰슨 냉동기의 구동부를 제작함. 단열탈자 냉동기 제작으로는, 초전도 자석을 제작하였고, 3 T 작동 실험을 수행함. 또한, 초전도 열 스위치로 납 끈과 열사이펀을 제작하고, 자성냉매와 초전도 자석을 함께 조립함. 제작한 냉각 시스템의 실험을 통해 각 냉각 구간별로 실험인자 변화에 따른 성능평가 및 최적 운전조건을 파악함. 스털링형 맥동관 냉동기의 실험인자(교류 전류 주파수, 충전 압력) 변화에 따른 성능평가를 진행하고 최적 운전조건을 파악함. 흡착식 줄-톰슨 냉동기의 실험인자(가열 용량 및 시간, 열적 연결부 단면적) 변화에 따른 성능평가를 진행하고, 최적 운전조건을 파악함. 단열탈자 냉동기의 실험인자(자화 속도) 변화에 따른 성능평가를 진행하고, 최적 운전조건을 파악함. 이후 각 냉각 시스템별로 핵심부품(재생기 및 맥동관, 흡착식 펌프, 초천도 자석 등)의 성능을 개선함. 맥동관 냉동기성능 개선을 위해, 더욱 짧은 길이의 관성관을 제시하였고, 흡착식 줄-톰슨 냉동기의 용량 증가 구현을 위해, 작동 조건(초기 압력, 가열 시간차 등)을 변경함. 또한, 단열탈자 냉동기의 성능을 개선하기 위해 4 T 급 초전도 자석을 설계하고, 열스위치로 열사이펀과 자기저항 물질을 활용함. 마지막으로, 다단 냉각 시스템에서 각 냉동기간의 연계 방법론을 제시하였고, 초저온 단열 방법을 구현함.
□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
스털링형 맥동관 냉동기 개발을 통해 극저온 선형 압축기 원천기술을 확보하였고, 20 K 이하의 극저온 수소 재액화 및 고온 초전도 자석 운용 기반을 닦음. 이중 흡착식 줄-톰슨 냉동기 개발을 통해 활성탄의 극저온 흡착 특성 실험 장치를 구축하였고, 이는 흡착 원리를 활용하는 흡착 냉동, 열스위치, 액체 수소 단열 탱크 등에 활용할 수 있음. 또한, 소형-무진동 냉동기 개발 기술을 선진화하여 민감한 적외선 센서 냉각에 활용할 수 있고, 초소형-초저온용 가공 기술 노하우를 쌓음. 단열탈자 냉동기 개발을 통해 고가의 희석식 냉동기의 대안으로 양자 컴퓨터 냉각에 활용할 수 있으며, 고온 초전도 자석 제작 및 운용 기술을 통해 고자기장 자석을 활용하는 가속기, MRI, 자기부상 열차 등 초전도 자석 시스템의 요구를 충족시킬 수 있음.
(출처 : 연구결과 요약문 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 연구결과 요약문 ... 2
- 목차 ... 3
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
- 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
- 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 14
- 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 14
- 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
- 3) 목표 달성 수준 ... 15
- 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
- 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
- 1) 예상되는 연구개발성과의 활용분야와 활용방안 ... 17
- 2) 추가연구의 필요성 ... 18
- 3) 타 연구에의 응용 ... 18
- 4) 기술이전 ... 18
- 6. 참고문헌 ... 19
- [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 20
- [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 33
- 끝페이지 ... 49
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.