Modeling And Experimental Research Of Cryogenic Magnetic Refrigeration For The 4-20 K Range

Abstract

Los sistemas criogénicos actuales comprenden plantas de licuefacción con ciclos expansivos y criorrefrigeradores con ciclos de gas regenerativos. Las plantas de licuefacción sirven a instalaciones científicas como LHC e ITER, mientras los criorrefrigeradores proporcionan soluciones compactas para aplicaciones como equipos de resonancia magnética. Los criorrefrigeradores presentan limitaciones críticas por debajo de 20 K, donde la capacidad de refrigeración y eficiencia exergética disminuyen considerablemente debido a la relación entre las capacidades caloríficas volumétricas del helio cerca de su punto crítico y las propiedades de los materiales del regenerador. Esta limitación convierte a los sistemas criogénicos en uno de los mayores costes en aplicaciones de temperaturas ultrabajas. Esta tesis investiga la refrigeración magnética para entornos criogénicos utilizando el efecto magnetocalórico como alternativa a métodos convencionales. El análisis de prototipos previos reveló que ErAl₂ presenta capacidades superiores a Gd₃Ga₅O₁₂ previamente utilizado en el rango de 4,2 a 20 K. Se ha desarrollado un modelo numérico unidimensional para estimar potencia de refrigeración y eficiencia exergética. Se diseñó un banco de pruebas experimental basado en el método single-blow para validar el modelo numérico bajo condiciones criogénicas con aplicación de campo magnético. La evaluación del rendimiento de regeneradores ErAl₂ y Gd₃Ga₅O₁₂ logró validación parcial del modelo, aunque pérdidas externas e incertidumbres en propiedades materiales limitaron la confirmación completa. Los resultados demuestran potencial sustancial para que la refrigeración magnética reduzca significativamente los costes del enfriamiento criogénico. Se presenta una hoja de ruta tecnológica con pasos críticos de desarrollo mitigando riesgos y respaldando la viabilidad industrial y comercial.

Current cryogenic systems comprise liquefaction plants using expansive cycles and cryocoolers employing regenerative gas cycles. While liquefaction plants serve large-scale facilities like LHC and ITER, cryocoolers provide compact solutions for applications like MRI equipment. However, cryocoolers face significant limitations below 20 K, where cooling capacity and exergy efficiency decrease substantially due to the relationship between helium's volumetric heat capacities near its critical point and regenerator material properties. This limitation makes cryogenic systems among the highest costs in ultra-low temperature applications. This thesis investigates magnetic refrigeration for cryogenic environments using the magnetocaloric effect as an alternative to conventional methods. Following analysis of previous prototypes and their challenges, ErAl₂ emerged as superior to previously used Gd₃Ga₅O₁₂ in the 4.2-20 K range. A one-dimensional numerical model was developed to estimate cooling power and exergy efficiency characteristics. An experimental test bench based on the single-blow method was designed and constructed to validate the numerical model under cryogenic conditions with magnetic field application. Performance evaluation of both ErAl₂ and Gd₃Ga₅O₁₂ regenerators achieved partial model validation, though external losses and material property uncertainties limited complete confirmation. Results demonstrate substantial potential for magnetic refrigeration to reduce cryogenic cooling costs significantly. A technological roadmap presents critical development steps while mitigating risks, supporting industrial and commercial viability.