Utilizzo dei materiali rigeneratori magnetici
nello scambiatore di calore di un cryocooler Gifford-McMahon

(in collaborazione con il Dipartimento di Energetica del Tokyo Institute of Technology, 
ed il Superconductivity Application Technology Group della Toshiba Corporation)

Il cryocooler, cioè il dispositivo che si occupa del raffreddamento dei materiali superconduttori alle temperature criogeniche, è uno dei componenti principali del micro-SMES. Recentemente questi dispositivi sono stati oggetto di un grande sviluppo. In particolare, l’utilizzo di materiali a transizione magnetica all’interno dello scambiatore rigenerativo di calore ha permesso di superare gli ostacoli tecnologici che impedivano a questi dispositivi di raggiungere temperature utili di refrigerazione inferiori ai 10 K. Grazie all’utilizzo di questi materiali, oggi sono commercialmente disponibili cryocooler di tipo Gifford-McMahon in grado di produrre una potenza refrigerante dell’ordine del W_th alla temperatura di 4 K [1, 2, 3, 4].

Se fino ad alcuni anni fa nel progetto dei sistemi superconduttivi si doveva quasi sempre ricorrere a soluzioni di tipo “cryogen-cooled”, ricorrendo al bagno in liquido criogenico per il raffreddamento dei materiali, oggi la disponibilità di piccoli cryocooler in grado di assolvere a questo compito sta determinando la sempre maggiore diffusione dei sistemi di tipo “cryogen-free”, nei quali si utilizza appunto un cryocooler per il raffreddamento dei materiali. I principali vantaggi dei sistemi “cryogen-free” stanno in una maggiore semplicità d’uso (non richiedendo le conoscenze tecniche specifiche necessarie alla manipolazione di liquidi criogenici), oltre che in una maggiore compattezza, flessibilità e facilità di integrazione nell’impianto (sono in grado di funzionare ovunque sia disponibile una sorgente di potenza elettrica). Inoltre, la garanzia di un funzionamento autonomo per migliaia di ore senza bisogno di manutenzione determina un abbattimento dei costi di gestione e di funzionamento.

Con la recente introduzione dei materiali HTS (come Bi-2223, Bi-2212 ecc…) che presentano proprietà superconduttive a temperature relativamente elevate, è diventato di particolare interesse ai fini delle applicazioni pratiche l’intervallo di temperature che va da 10 K a 20 K. L’oggetto di studio della ricerca qui presentata è stato un cryocooler sperimentale di tipo Gifford-McMahon a due stadi di refrigerazione atto a funzionare in questa fascia di temperature. I dati sperimentali sono stati raccolti dall’assegnista Ing. Luca Trevisani durante un periodo di ricerca presso il Superconductivity Application Technology Group della Toshiba Corporation (Giappone) in collaborazione con il Department of Energy Sciences del Tokyo Institute of Technology.

Lo scopo della ricerca è stato quello di incrementarne la potenza refrigerante mediante l’impiego del materiale magnetico Er(Ni_0.075Co_0.925)₂ all’interno del secondo rigeneratore di calore. Tale materiale è caratterizzato da una temperatura di transizione magnetica di 15.6 K, in corrispondenza della quale presenta un calore specifico di 2.67 J/cm³K. In Fig. 1 è mostrato il grafico del calore specifico dell’ Er(Ni_0.075Co_0.925)₂ a confronto con quello del piombo (che è il materiale maggiormente impiegato per temperature superiori ai 10K) e ad altri due materiali a transizione magnetica correntemente utilizzati per temperature inferiori ai 10K (Er₃Ni e HoCu₂). Si nota un grande vantaggio in termini di calore specifico dell’ Er(Ni_0.075Co_0.925)₂ rispetto agli altri materiali, per temperature comprese fra 10K e 20K.

Figura 1: Calore specifico dell’ Er(Ni_0.075Co_0.925)₂ a confronto con quello del piombo e di altri due materiali
 magnetici correntemente utilizzati per temperature inferiori ai 10K (Er₃Ni e HoCu₂).

Poiché le prestazioni degli scambiatori rigenerativi di calore utilizzati nei piccoli cryocooler (ed in particolare nei cryocooler di tipo Gifford-McMahon) aumentano all’aumentare della capacità termica della matrice rispetto a quella del gas fluente ad ogni ciclo, si è pensato di sperimentare tale materiale all’interno del secondo stadio di refrigerazione (operante appunto a temperature comprese fra 10K e 20K). In Fig. 2 è mostrato lo schema dell’apparato sperimentale utilizzato, in Fig. 3 il cryocooler smontato durante le operazioni di riempimento dello scambiatore di calore col materiale rigeneratore.

Figura 2: Schema dell’apparato sperimentale utilizzato.

Sono state effettuate due serie di esperimenti: la prima con corsa del cryocooler pari a 20 mm e la seconda con corsa di 32 mm. Nella prima serie la frequenza di funzionamento è stata fissata a 72.8 rpm e si sono confrontate le prestazioni relative a quattro diverse configurazioni del rigeneratore, rispettivamente con una percentuale in volume di materiale magnetico sul lato freddo del rigeneratore pari allo 0%, 30%, 50% e 70%. Si è riscontrato che, nel caso di carico termico nullo sul primo stadio, l’utilizzo del rigeneratore con un rapporto Er(Ni,Co)/Pb pari al 30% determina un incremento della potenza refrigerante del cryocooler su tutto l’intervallo di temperature di interesse compreso fra 10 K e 20 K. In particolare l’incremento massimo si ha in corrispondenza della temperatura di 18 K, per la quale l'incremento della potenza refrigerante è pari al 10%. I grafici in Fig. 4 mostrano la temperatura di refrigerazione a regime e l'incremento percentuale della potenza refrigerante del cryocooler grazie all'utilizzo del materiale a transizione magnetica rispetto al caso di solo piombo.

Nella serie di esperimenti con corsa del cryocooler di 32 mm sono state utilizzate tre diverse frequenze di funzionamento (45.5 rpm, 56.7 rpm e 72.8 rpm) mentre si sono confrontate due diverse configurazioni del secondo rigeneratore (solo piombo e 30% in volume di materiale magnetico). Anche in questo caso, si è riscontrato che se il carico termico sul primo stadio è nullo l'utilizzo del materiale magnetico Er(Ni_0.075Co_0.925)₂ determina un incremento della potenza refrigerante del cryocooler su tutto l'intervallo di temperature di interesse compreso fra 10 K e 20 K. I miglioramenti ottenuti in questa serie di esperimenti sono stati superiori a quelli riscontrati nella serie precedente. In particolare, nel caso di funzionamento con frequenza di 45.5 rpm si è ottenuto un incremento massimo della potenza refrigerante pari ad oltre il 15% in corrispondenza della temperatura di 15.2 K. Per temperature comprese fra 14 K e 18 K (le più richieste per le applicazio-ni tecnologiche pratiche del cryocooler) il miglioramento riscontrato è sempre stato superiore al 10%. Il grafico in Fig. 5 mostra il miglioramento delle prestazioni del cryocooler  nel caso di corsa di 32 mm e frequenza operativa di 45.5 rpm.

Poiché la quantità di elio circolante al minuto è la stessa rispettivamente nel caso di corsa di 20 mm e 72.8 rpm  e nel caso di corsa di 32 mm e 45.5 rpm (essendo 20 × 72.8 = 32 × 45.5), è possibile confrontare le prestazioni relative a queste due configurazioni di funzionamento. In Fig. 6 è mostrato il confronto fra la potenza refrigerante del cryocooler nei due casi con solo Pb e con un rapporto Er(Ni,Co)/Pb pari al 30%. La configurazione con corsa maggiore ha determinato un grande notevole aumento delle prestazioni.

Parallelamente alla rielaborazione dei dati sperimentali, è stato sviluppato un codice di calcolo per la valutazione dell’efficienza dello scambiatore rigenerativo di calore in funzione dei diversi rapporti fra la quantità di materiale magnetico e quella di piombo [5]. I risultati delle simulazioni si sono mostrati in sostanziale accordo con i risultati sperimentali. In Fig. 7 sono mostrati gli andamenti dell'efficienza del secondo rigeneratore di calore al variare della temperatura nel caso di corsa rispettivamente pari a 20 mm e 32 mm. I risultati mostrano un incremento dell'efficienza di scambio termico grazie all'utilizzo del materiale magnetico, che è massimo nel caso di rapporto quantitativo pari al 30%. Tale incremento è poi maggiore nel caso di funzionamento con corsa di 32 mm che nel caso di funzionamento con corsa di 20 mm.

Riferimenti bibliografici