[論文レビュー] Regeneration tests of a room temperature magnetic refrigerator and heat pump

Gerald V. Brown, S. S. Papell|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2014

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、7Tの磁場下でガドリニウムを固体冷媒として、エタノール-水混合液を液体再生器として用いた常温磁気冷蔵機および熱ポンプの性能を検証した。最大温度差は80 Kに達し、最低温度は241 K、最高温度は328 Kであった。冷却負荷を外部から抽出しなかったにもかかわらず、34 Wの冷媒能力が発生したと分析された。

ABSTRACT

A magnetic heat pump apparatus consisting of a solid magnetic refrigerant, gadolinium, and a liquid regenerator column of ethanol and water has been tested. Utilizing a 7T field, it produced a maximum temperature span of 80 K, and in separate tests, a lowest temperature of 241 K and a highest temperature of 328 K. Thermocouples, placed at intervals along the regenerator tube, permitted measurement of the temperature distribution in the regenerator fluid. No attempt was made to extract refrigeration from the device, but analysis of the temperature distributions shows that 34 watts of refrigeration was produced.

研究の動機と目的

• 常温における液体再生器を用いた磁気冷蔵システムの性能を評価すること。
• 再生器の縦方向における温度分布を測定し、熱的効率を評価すること。
• 冷却負荷を外部から抽出しない状態でのシステムの冷媒能力を定量化すること。
• 実用的で非理想的なシステム構成を用いた磁気冷蔵の実現可能性を示すこと。
• アクセス可能な材料を用いた磁気熱ポンプシステムの未来の最適化に役立つデータを提供すること。

提案手法

• 7Tの外部磁場を用いた閉ループシステムに固体磁気冷媒（ガドリニウム）を採用した。
• 磁気カロリックサイクル中に熱を移動させるために、エタノールと水で満たされた液体再生器のカラムを使用した。
• 再生器チューブに沿って定期的に配置された熱電対を用いて、軸方向の温度分布を測定した。
• システム内の最低温度および最高温度に達するための別個の試験を実施した。
• 温度プロファイルを分析して、冷却負荷を外部から抽出しない状態での冷媒能力を推定した。
• 磁場サイクルを用いてガドリニウムに磁気カロリック効果を誘発させ、熱ポンプを実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体再生器を用いた常温磁気冷蔵機で達成可能な最大温度差はどの程度か？
• RQ2 サイクル中の再生器カラムに沿った温度分布は、熱的効率をどのように反映するか？
• RQ3 冷却負荷を外部から抽出しない状態でのシステムの推定冷媒能力はどの程度か？
• RQ4 エタノール-水混合液は、磁気冷蔵サイクルにおける再生器液体としてどれほど効果的か？
• RQ5 実用的な磁気冷蔵システムは、ガドリニウムを用いて顕著な温度差と冷媒能力を達成できるか？

主な発見

• システムは、再生器内の最も冷たい点と最も暑い点の間で最大80 Kの温度差を達成した。
• 7Tの磁場下で、記録された最低温度は241 K、最高温度は328 Kであった。
• 再生器チューブに沿った温度測定から、非均一な熱勾配が観察され、熱移動の制限が示された。
• 温度プロファイルの分析から、冷却負荷を外部から抽出しなかったにもかかわらず、34 Wの冷媒能力が生成されたと判明した。
• ガドリニウムと液体再生器を組み合わせた常温磁気冷蔵システムの実現可能性が裏付けられた。
• 冷却負荷を外部から抽出しなかったことから、システムの冷媒能力は非常に大きく、最適化された構成で活用可能であると示唆された。