[논문 리뷰] Regeneration tests of a room temperature magnetic refrigerator and heat pump

Gerald V. Brown, S. S. Papell|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 14.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 7T 자기장 하에서 사각형 이트륨 산화물(그라디움)을 고체 냉매로, 에탄올-물 혼합물을 액체 열재생제로 사용하여 실온에서 자기 냉장고 및 히트펌프를 시험한다. 최대 온도 범위는 80 K이며, 최저 온도는 241 K, 최고 온도는 328 K에 도달했으며, 분석 결과 외부 냉각 부하를 추출하지 않은 상태에서도 34 와트의 냉각력이 생성된 것으로 나타났다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 액체 열재생제를 사용한 자기 냉각 시스템의 성능을 평가하기 위해.
• 열재생기 기둥을 따라 온도 분포를 측정하여 열효율성을 평가하기 위해.
• 외부 냉각 부하를 추출하지 않은 상태에서 시스템의 냉각 용량을 정량화하기 위해.
• 실용적이고 비이deal한 시스템 구성에서 자기 냉각의 가능성에 대한 실증을 제공하기 위해.
• 접근 가능한 재료를 사용한 향후 자기열펌프 시스템 최적화를 위한 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 7T 외부 자기장을 가진 폐쇄형 루프 시스템에 고체 자기 냉매(그라디움)를 사용하였다.
• 자기열 효과 사이클 동안 열을 전달하기 위해 에탄올과 물의 혼합물로 채워진 액체 열재생기 기둥을 사용하였다.
• 열재생기 관의 축방향 온도 분포를 측정하기 위해 정기적인 간격으로 열전대를 배치하였다.
• 시스템의 최저 및 최고 온도를 도달하기 위해 별도의 시험을 실시하였다.
• 외부 냉각 부하를 추출하지 않은 상태에서 냉각 용량을 추정하기 위해 온도 프로파일을 분석하였다.
• 그라디움에서 자기열 효과를 유도하기 위해 자기장 사이클링을 수행하여 열펌프 작동을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체 열재생제를 사용한 실온 자기 냉장고에서 도달 가능한 최대 온도 범위는 얼마인가?
• RQ2 사이클링 중 열재생기 기둥을 따라 온도 분포가 열효율성을 어떻게 반영하는가?
• RQ3 외부 냉각 부하를 추출하지 않은 상태에서 시스템의 추정 냉각 용량은 얼마인가?
• RQ4 에탄올-물 혼합물은 자기 냉각 사이클에서 열재생 유체로서 얼마나 효과적인가?
• RQ5 실용적인 자기 냉각 시스템은 그라디움을 사용하여 상당한 온도 범위와 냉각 용량 잠재력을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 열재생기 내 최저점과 최고점 사이에서 최대 80 K의 온도 범위를 달성하였다.
• 7T 자기장 하에서 기록된 최저 온도는 241 K였고, 최고 온도는 328 K에 도달하였다.
• 열재생기 관을 따라 측정된 온도는 비균일한 열기울기를 보여, 열전달 제한을 시사하였다.
• 온도 프로파일 분석 결과, 외부 냉각 부하를 추출하지 않은 상태에서도 34 와트의 냉각 용량이 생성된 것으로 나타났다.
• 결과적으로 실온에서 그라디움을 사용한 액체 열재생기를 적용한 자기 냉각 시스템의 실현 가능성을 입증하였다.
• 외부 부하를 추출하지 않은 점은 시스템의 냉각 잠재력이 매우 크며, 향후 최적화된 구성에서 활용될 수 있음을 시사한다.