Cryogenic Test Stand for Characterization of Magnetocaloric Materials

Abstract

Se necesitan métodos alternativos de refrigeración criogénica para mejorar la baja eficiencia de los ciclos de refrigeración a base de gas tradicionales. La refrigeración magnética es una técnica conocida desde hace tiempo que se utiliza para alcanzar temperaturas por debajo del kelvin. Sin embargo, hay un creciente interés en emplear este método a temperaturas de helio líquido e hidrógeno líquido debido a su alta eficiencia de Carnot. No obstante, se requiere de mayor experimentación para comprender completamente las dinámicas de transferencia de calor en materiales magnetocalóricos a temperaturas criogénicas. Se ha diseñado una instalación de prueba para evaluar los coeficientes de transferencia de calor de estos materiales mediante la técnica de prueba transitoria de flujo único. El sistema consiste en un circuito hermético de gas helio, que se enfría hasta temperaturas criogénicas y se fuerza a fluir a través de un lecho empacado de material magnetocalórico. Para probar las propiedades de transferencia de calor de los materiales magnetocalóricos en diferentes campos magnéticos, la instalación de prueba cuenta con un solenoide superconductor capaz de proporcionar hasta 4 T. En el presente artículo se describe el diseño y validación de la instalación de prueba para la caracterización de materiales magnetocalóricos.

Alternative cryogenic refrigeration methods are needed to improve the low efficiency of traditional gas cycles cryocoolers. Magnetic refrigeration is an old known technique used to reach below Kelvin temperatures, though there is rising interest in using this method at liquid helium and liquid hydrogen temperatures due to its high Carnot efficiency. However, further experimentation is needed to fully understand the heat transfer dynamics of magnetocaloric materials at cryogenic temperatures. A test stand has been designed to evaluate the heat transfer coefficients of these materials using the single-blow transient test technique. The system consists of a hermetic helium gas circuit, which is cooled down to cryogenic temperatures and is forced to flow through a packed bed of magnetocaloric material. In order to test the heat transfer properties of the magnetocaloric materials at different magnetic fields the test stand has a superconducting solenoid capable of providing up to 4 T. The design and validation of the test stand for the characterization of magnetocaloric materials is described in the present paper.