1. 서 론

21세기에 들어 증기 압축식 냉동시스템으로 인하여 발생하는 대기환경 오염문제를 해결하기 위한 노력과 연구가 지속적으로 늘어나고 있다. 따라서 환경오염의 주원인으로 지적되는 CFC 냉매를 사용하지 않는 냉동 기술들이 많은 주목을 받고 있다. 자기냉동은 물질의 자기열량효과를 이용하여 저온을 생성시키는 방법으로, CFC 냉매를 사용하는 대신에 고체 냉매를 사용함으로써 친환경적인 냉동 기술이라고 할 수 있다. 또한 전력 소모와 소음이 큰 압축기를 사용하지 않고, 자기장의 변화에 따른 재료의 온도 변화를 이용하여 저온부와 고온부의 온도차를 발생시킬 수 있어서 효율적인 냉동시스템으로 간주된다.

능동형 자기재생기(Active Magnetic Regenerator, AMR)는 자성재료가 냉매로서 뿐만 아니라 열전달유체의 재생기로도 사용되는데, 자성 냉매를 재생기의 재생 물질로써 사용하고 유체가 그 재생기 내부를 왕복하면서 열전달을 하는 방식이다. 상온 자기냉동기의 연구에 있어서 영구자석과 자성 냉매의 상대적인 왕복 운동을 통하여 자성 냉매를 자화 또는 탈자화시키는 방법을 널리 사용하고 있다.⁽¹⁾ 국내에서 제작된 왕복식 시스템은 AMR 베드의 길이 방향으로 왕복하여 자화/탈자화시키는 시스템⁽²⁾과 AMR 베드 길이의 수직 방향으로 왕복하는 시스템⁽¹⁾ 등이 있다.

왕복식 시스템 이외에도 베드 또는 영구자석이 회전하면서 자기장의 변화를 주는 회전식 시스템^(3,4)과 AMR 베드를 고정시키고 베드 외부에 설치된 원통형 영구자석을 회전시켜서 자기장을 변화시켜주는 동심 원통형 시스템^(5,6) 등 다양한 방식의 상온 자기냉동기가 연구되고 있다. 캐나다의 빅토리아대학 연구팀은 동심 원통형 영구자석을 이중⁽⁵⁾ 또는 삼중⁽⁶⁾으로 배열한 시스템을 제작하여 성능을 실험하였다.

본 논문에서는 동심 원통형 Halbach 배열의 영구자석을 이용한 자기냉동장치를 제작하고, 이 장치를 이용하여 실험한 결과를 소개하려고 한다. 특히 두 개의 AMR 베드 양쪽에 같은 자성재료 냉매를 사용하되, 단일냉매와 혼합냉매를 사용하여 실험한 결과를 비교해보고자 한다.

2. 상온 자기냉동장치의 개요 및 구성

Fig. 1은 본 연구에 사용된 동심 원통형 Halbach 배열의 영구자석을 이용한 자기냉동장치의 모습을 보여준다. 자기냉동장치는 원통형 자석, AMR 베드와 고체냉매, 열교환 시스템, 그리고 온도측정 및 제어 시스템 등으로 구성된다. 동심 원통형 자석은 한 개의 어셈블리에 직경이 서로 다른 두 개의 원통형 자석이 결합되어 있다. 직경이 큰 외측 원통자석은 고정되어 있고 내측에 있는 작은 직경의 원통자석이 회전을 하게 된다.⁽⁷⁾

AMR 베드(내경 25 mm, 외경 32 mm의 PVC 파이프로 제작함)는 원통형 자석 어셈블리 내부 중앙에 위치하는데, 고체냉매로써 가돌리늄(Gd)과 가돌리늄합금(GdTb)을 직경 250 ㎛ 정도의 sphere 형태(Fig. 2)로 가공하여 채워 넣었다. 이는 AMR 베드 내의 냉매 구성을 자기열량효과가 최대가 되는 큐리온도가 22℃인 Gd만으로 하였을 때 (단일)와 Gd와 GdY(큐리온도 10℃)을 배열하여 사용하였을 때(혼합)의 온도차가 1차원 수치적 결과와 2차원 베드에서의 실험적 결과 모두에서 혼합냉매의 경우에 더 크게 얻어졌다는 논문⁽⁸⁾을 참고하여, 본 연구에 적용한 것이다. Gd만 채웠는지(단일냉매), 또는 Gd와 큐리온도가 6℃인 GdTb를 섞어서 채웠는지(혼합냉매)에 따라 결과가 어떻게 달라지는지를 관찰하는 것이 본 연구의 목적이다. Fig. 3은 본 실험에 사용된 AMR 베드를 보여주는데, Gd만을 넣은 단일냉매(a)와 Gd와 GdTb를 혼합해서 넣은 혼합냉매(b)의 구성과 냉매의 양이 나타나 있다.

Fig. 4는 동심원통형 자석 어셈블리(내측자석 : 내경 25 mm, 외경 73 mm; 외측자석 : 내경 79 mm, 외경 166 mm)의 단면을 보여주는데, 화살표는 각 자석 세그먼트의 자기장 방향을 나타낸다. 외측과 내측의 자석 세그먼트들이 모여서 각각 하나의 Halbach 자석으로 작용하고, 이 Halbach 자석들의 자기장이 같은 방향이면 그 자석 어셈블리의 전체자기장은 최대가 되고(a), 자기장의 방향이 서로 반대이면 전체자기장은 최소가 된다(b). 또한, 원통 중앙 에서의 자기장 크기가 가장자리에 비해 더 크다.⁽⁹⁾ 원통형 자석 어셈블리의 축방향으로 측정한 자기장의 세기를 Fig. 5에 나타내었다. 자석 내부에서는 비슷한 세기를 나타내고 바깥쪽으로 갈수록 작아지며, 어셈블리 A에서의 자기장이 B에서보다 중앙에서 250 mT 정도 더 크게 측정되었다.

Fig. 6은 본 연구에 사용된 자기냉동장치의 개요도인데, 두 개의 동심원통형 자석과 그 속에 들어있는 AMR 베드, 고온부와 저온부 열교환기(각각 외경 6.35 mm, 내경 4.95 mm, 길이 1500 mm의 동관을 코일형태로 감아서 제작함, Fig. 7), 그리고 열교환시스템과 온도측정 위치 등을 보여준다. 내측자석이 회전함에 따라 각 자석 어셈블리의 자기장의 세기는 최대 또는 최소가 된다. 영구자석을 이용한 상온자기냉동 시스템에 현실적으로 적합한 자기장의 세기는 1.5 T(tesla) 정도⁽¹⁰⁾이며, 본 연구에서 제작한 자기냉동장치에서 자기장의 세기는 1.6 T 정도가 얻어졌다.

Fig. 6(a)에서 열교환유체인 물이 시계방향으로 흐름으로써 자기장이 최대인 자석 내부에 위치한 위쪽 AMR을 통과한 물이 오른쪽 고온부로 이동하고, 최소의 자기장에 위치한 아래쪽 AMR을 통과한 물은 왼쪽 저온부로 이동하게 된다. Fig. 6(b)에서는 최대와 최소 자기장의 위치가 바뀌게 됨에 따라 물을 반시계방향으로 흐르게 함으로써 최대 자기장에 놓인 아래쪽 AMR을 통과한 물은 역시 오른쪽 고온부로, 최소 자기장에 놓인 위쪽 AMR을 통과한 물은 왼쪽 저온부로 흐르게 된다.

본 연구에서는 AMR베드 입⋅출구에서의 온도 변화를 실시간으로 측정하였고, 열교환시간은 온도 차이를 가장 크게 갖는 최적의 AMR사이클의 주파수를 찾기 위해 열교환시간을 2, 3, 4초로 하여 실험하였다. 유체의 유량은 0.6 lpm(10 cc/s)이고, 유체의 흐름방향은 자석 어셈블리와 고온부 사이에 설치된 삼방밸브에 의해 제어된다. 두 개의 AMR 베드는 두 개의 원통형 자석 어셈블리 중앙에 각각 위치하고, 자석 어셈블리의 내측 원통자석들을 전기 모터에 의해 주기적으로 180도 회전시켜줌으로써 자기장을 최대 또는 최소가 되게 한다.

3. 실험 결과 및 고찰

본 연구에서 자기냉동장치의 고온부와 저온부의 온도변화는 냉동부하가 없는 상태에서 측정하였다. Fig. 8과 Fig. 9는 각각 단일냉매와 혼합냉매를 사용하였을 때 두 개의 AMR 베드 입구와 출구에서의 온도변화를 실시간으로 측정한 결과를 보여준다. 본 실험에서 저온부는 주위와 열교환이 되지 않도록 단열을 하였으며, 고온부는 주위에 노출시켜서 고온의 열이 외부로 방출 되도록 하였다. 따라서 저온부에서는 초기온도(20℃)로부터의 온도변화가 큰 반면, 고온부에서는 저온부에서만큼 온도변화가 크지가 않았다. 정상상태에 도달하는 시간과 실험 시작 후 40분이 지난 시각에서의 고온부와 저온부의 온도차가 Table 1에 정리되어 있다.

전반적으로 단일냉매인 경우가 혼합냉매인 경우보다 온도차가 더 크게 발생했으며, 열교환시간이 2초와 3초일 때는 두 경우 다 각각 온도차가 비슷하게 얻어졌다. 하지만 열교환시간이 4초일 때에는 두 경우 다 온도차이가 작게 얻어지며, 단일냉매의 경우에는 정상상태에 도달하지 않고 계속 증가하는 반면에, 혼합냉매의 경우에는 온도차는 더 작지만 정상상태에 도달하고 있다. 단일냉매의 경우 열교환시간이 4초일 때 AMR 베드를 지나는 물의 양이 2초와 3초보다 더 많아서, 고온부의 물이 저온부에까지 유입되어 저온부의 온도가 상승하는 것으로 보이며, 고온부의 온도도 같이 상승하는 것은 펌프에서 발생된 열이 고온부로 유입된 현상으로 판단된다. 혼합 냉매 4초의 경우에서는 AMR 베드의 이음부에서 좁아지는 부분으로 인해 단일냉매 4초의 경우보다 적은 물이 통과되어서 정상상태에 이르는 것으로 추정된다. 그리고 열교환시간이 커짐에 따라 정상상태에 도달하는 시간도 길어지는 경향을 보인다.

열교환시간이 2초와 3초일 때 정상상태에서의 평균 온도차는 단일냉매의 경우에는 약 29℃, 혼합냉매의 경우 에는 약 26℃로 각각 비슷하게 나타났다. 혼합냉매를 사용했을 때 더 좋은 성능을 얻을 수 있을 것으로 예측 되었지만, 본 실험에서는 반대로 단일냉매에서 더 큰 온도차를 얻었는데, 이는 혼합냉매 AMR 베드 내부의 이음새 부분에 유체흐름이 저해되는 구조상의 문제 때문일 것으로 추측해볼 수 있다. 혼합냉매에서 더 좋은 성능이 얻어지지 않은 주된 이유는 혼합냉매 베드의 이음새 부분에 데드존(내경 25 mm, 길이 27 mm에 해당하는 13 cc)이 존재하고, 사용된 자성재료의 질량이 93 g(단일냉매 550 g$-$혼합냉매 457 g)만큼 줄었기 때문으로 판단 된다.

4. 결 론

본 연구에서는 동심 원통형 영구자석을 이용한 상온 자기냉동장치를 제작하고, AMR 베드에 단일냉매와 혼합냉매를 넣었을 때의 성능을 실험하였다. 자성재료로써 Gd만을 사용한 단일냉매와 Gd와 GdTb를 혼합해서 넣은 AMR 베드를 이용한 자기냉동시스템의 성능을 비교한 결과는 다음과 같다.

(1) 혼합냉매보다 단일냉매를 사용한 AMR 베드 시스템에서 더 큰 온도차를 보였다.

(2) 두 경우 다 열교환시간이 2초와 3초일 때 각각 비슷한 크기의 최대 온도차를 얻었다.

(3) 열교환시간이 4초일 때에는 두 경우 다 온도차이가 작게 얻어지며, 단일냉매의 경우에는 정상상태에 도달 하지 않고 계속 증가하는 반면에, 혼합냉매의 경우에는 온도차는 더 작지만 정상상태에 도달하였다.

(4) 열교환시간이 커짐에 따라 정상상태에 도달하는 시간도 길어지는 경향을 보였다.