KR100728495B1

KR100728495B1 - 자기열교환유닛 및 이를 채택한 자기냉동기

Info

Publication number: KR100728495B1
Application number: KR1020050107308A
Authority: KR
Inventors: 이동관; 신승훈
Original assignee: 주식회사 대우일렉트로닉스
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2007-06-14
Also published as: KR20070050124A

Abstract

본 발명은 자기열량재료를 밀봉한 케이스로 구성된 자기열량유닛와, 이 자기열량유닛과 열교환하는 열전도유체가 별도로 순환하는 분리된 고온열교환부와 저온열교환부로 구성된 자기냉동기에 관한 것이다.

Description

자기열교환유닛 및 이를 채택한 자기냉동기{magnetic heat-exchanging unit and magnetic refrigerator with the magnetic heat-exchanging unit}

도 1은 종래 회전 자석식 자기냉동기 내의 열전도유체 구성요소의 평면도.

도 2는 도 1의 자기열량재료를 포함하는 예시적인 자기열교환실의 평면도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기냉동기의 구성요소의 사시도.

도 4는 도 3의 정면도.

도 5는 본 발명의 자기열교환유닛을 도시한 사시도.

도 6은 도 5의 측단면도.

도 7은 도 5의 케이스를 분리 도시한 사시도.

도 8은 도 5의 A방향에서 본 측면도로서 골을 설명하기 위한 개략도.

도 9는 도 5의 A방향에서 본 측면도로서 다른 실시예의 골을 설명하기 위한 개략도.

도 10은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 자기냉동기의 정면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

5,160,161 : 펌프 6,162 : 고온열교환기(실외기부)

12,163 : 저온열교환기(실내기부) 13 : 자기열교환실

17aa,17ab : 제1열전도유체 17bb,17bc : 제2열전도유체

112 : 자기열량재료(Gd) 113 : 자기열교환유닛

113a : 고온측 자기열교환유닛 113b : 저온측 자기열교환유닛

115 : 케이스 117,119 : 골

121 : 관통공 130,131,132,133 : 파이프

140 : 자석 144 : 모터

148 : 샤프트

한국공개특허공보 제２００４－００６２９８９호

미국특허공보 제６,６６８,５６０호

일본공표특허공보 특표２００５－５１３３９３호

종래, 자기냉동기로서, 예컨대 위에서 기술된 공보들이 제안되어 있다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 종래 자기냉동기는 1번으로 투입된 열전도유체는 2번으로 흐르는 동안, 자장이 인가된 자기열량재료가 가진 자기발열효과에 의해 가열되어진 열을 열전도유체가 흡수하여 2번 출구를 통해 파이프로 빠져나가므로 자기 열량재료를 냉각시킨다. 고온부는 3번파이프를 지나 분배기(4)을 통해 펌프(5)을 거쳐 실외기부(고온열교환기)(6)을 통과한 후 자기열교환실(7)로 투입된다. 7번파이프에서 고온부는 8번파이프와 9번파이프로 나뉘어 이동하며 10번에서 저온부로 만나 분배기(11)로 진행한다. 고온부가 7번에서 8번, 또한 9번에서 10번으로 이동할 때는 이미 고온부에 의해 차가워진 자기열량재료를 지나면서 냉각된다. 분배기(11)을 통과한 저온부는 실내기부(저온열교환기)(12)을 지나 13, 14, 15번파이프로 이동하면서 똑 같은 사이클이 지속된다.

이와 같이, 종래의 자기냉동기는 12개의 자기열교환실과 4개의 분배기, 또한 24개 이상의 파이프 등을 사용하므로써 복잡하여 제조화 하기에 어려움이 있다.

또한, 하나의 열전도유체가 순환하여 고온부와 저온부의 역할을 병행하므로 도 1을 보면 7번(고온부 입구)에서 고온부가 들어가, 냉각되어 있는 자기열량재료를 거치면서(도 2 참조) 저온부로 냉각되어 8번 출구로 나가기 때문에, 열교환의 효율이 떨어진다. 이때, 만약 7번에 투입되는 고온부의 온도보다 낮은 온도의 열전도유체가 7번으로 들어가서, 냉각되어 있는 자기열량재료를 지나면 8번 출구에서는 더욱 낮은 온도의 열전도유체를 흘려 보낼 수 있으므로 열교환의 효율을 높일 수 있음을 알 수 있다.

또한, 고온부를 통과하는 열전도유체의 양을 컨트롤할 수 없어 자기열량재료의 열을 빠른 시간안에 최대한 냉각시킬 수 없어, 열교환의 효율이 떨어진다.

한편, 종래 자기열교환실을 통과할 때 자기열량재료가 열전도유체와 직접 접촉하여 열교환을 하기 때문에 산화될 우려가 크다.

또한, 자기열교환실을 통과할 때 출입구(메쉬)로 분말형인 자기열량재료가 빠져나가 유실되고, 열전도유체의 세기에 따라 출구에 자기열량재료가 축적되어 흐름을 방해할 수 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 자기열량재료의 산화와 유실을 방지할 수 있는 자기열교환유닛을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 고온부와 저온부를 분리 순환시켜 구조가 간소화되고 높은 열효율 및 열전도유체의 양을 컨트롤할 수 있는 자기냉동기를 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자기열교환유닛은 하부케이스와 상부케이스를 갖는 케이스; 상기 케이스 내에 밀봉되어 자장이 인가될 때 온도가 변화하는 자기열량재료를 포함하여 이루어지되, 상기 케이스에는 열전도유체가 통과되는 관통공이 더 형성된다.

이 구성에 의하여, 자기열량재료가 열전도유체와 비접촉하여 자기열량재료의 산화와 유실을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따른 자기냉동기는 열전도유체의 흐름을 통과시키는 복수개의 자기열교환유닛; 상기 자기열교환유닛이 원주방향을 따라 소정 간격마다 설치되는 회전판; 상기 회전판 사이에 배치되며, 상기 자기열교환유닛이 통과할 때 자장을 인가하여 온도를 상승시키는 자석; 상기 자기열교환유닛의 고온측에 배치되는 고온열교환부재; 상기 자기열교환유닛의 저온측에 배치되는 저온열교환부재; 를 포함하되,

상기 자기열교환유닛은 하부케이스와 상부케이스를 갖는 케이스와, 상기 케이스 내에 밀봉되어 자장이 인가될 때 온도가 변화하는 자기열량재료로 구성되고, 상기 케이스에는 열전도유체가 통과되는 관통공이 더 형성되어 있다.

이 구성에 의하여, 고온부와 저온부를 분리 순환시켜 구조가 간소화되고 높은 열효율 및 열전도유체의 양을 컨트롤할 수 있다.

전술한 구성에서, 상기 케이스의 측면에는 소정간격마다 골이 형성되면, 열전도유체와의 접촉길이를 늘릴 수 있다.

또한, 상기 골은 상기 상부케이스의 상측에서 상기 하부케이스의 하측을 향해 경사지게 형성되면, 접촉길이를 더욱더 늘릴 수 있다.

또한, 상기 케이스는 열전달 특성과 가공성이 양호한 알루미늄재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 상부케이스와 하부케이스는 동브레이징에 의해 밀봉되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 케이스에는 열전도유체가 통과되는 관통공이 더 형성되면, 열전도유체의 통과량을 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 자기열량재료는 가돌리늄(Gd)으로 구현하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 설명하는데, 종래의 것과 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기냉동기의 구성요소의 사시도이고, 도 4는 도 3의 정면도이고, 도 5는 본 발명의 자기열교환유닛을 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5의 측단면도이고, 도 7은 도 5의 케이스를 분리 도시한 사시도이다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 자기냉동기는 복수개의 자기열교환유닛(113)과, 상기 자기열교환유닛(113)이 원주방향을 따라 소정 간격마다 설치되는 회전판(118)과, 상기 회전판(118) 사이에 배치되며, 상기 자기열교환유닛(113)이 통과할 때 자장을 인가하여 온도를 상승시키는 자석(140)과, 상기 자기열교환유닛(113)의 고온측(113a)에 배치되는 고온열교환부재와, 상기 자기열교환유닛(113)의 저온측(113b)에 배치되는 저온열교환부재로 구성되어 있다.

상기 열전도유체는 상기 고온열교환부재에서 순환하는 제1열전도유체(17a)와, 상기 저온열교환부재에서 순환하는 제2열전도유체(17b)로 분리되어 사이클을 형성하게 된다.

즉, 상기 고온열교환부재는 고온열교환기(162)와, 상기 고온열교환기(162)의 저온측 출구의 제1열전도유체(17aa)를 상기 고온측 자기열교환유닛(113a)으로 유동시키는 제1파이프(130)와, 상기 고온측 자기열교환유닛(113a)을 통과하면서 상기 자기열량재료(112)의 열을 흡수 가열된 제1열전도유체(17ab)를 상기 고온열교환기(162)의 고온측 입구로 유동시키는 제2파이프(131)로 구성되어 있다.

마찬가지로, 상기 저온열교환부재는 저온열교환기(163)와, 상기 저온열교환기(163)의 고온측 출구의 제2열전도유체(17bb)를 상기 저온측 자기열교환유닛(113b)으로 유동시키는 제3파이프(132)와, 상기 저온측 자기열교환유닛(113b)을 통과하면서 상기 자기열량재료(112)로 열을 방출 냉각된 제2열전도유체(17bc)를 상기 저온열교환기(163)의 저온측 입구로 유동시키는 제4파이프(133)로 구성되어 있다.

상기 자기열교환유닛(113)은 열전도유체의 흐름을 통과시키는 자기열량재료(112)를 포함하는 구성이다. 이 자기열량재료(112)는 자장이 인가될 때 온도가 변화는 특성을 가지는데, 이러한 특성이 우수한 재료로는 미세한 크기의 분말인 가돌리늄(Gd)이 있다. 이 가돌리늄은 열전도유체의 흐름에 대해 침투성이 우수한 공극을 가지고 있고, 열의 흡수 및 방출이 우수하다.

회전판(118)은 그 중심에 결합된 샤프트(148)를 회전시키는 모터(144)에 의해 회전하게 된다. 이 회전판(118)의 원주방향에는 자기열량재료(112)가 소정간격마다 배치되어 있다.

즉, 회전판(118)에는 장착공이 원주방향을 따라 천공 설치되고, 이 장착공에는 도 5에 도시한 자기열교환유닛(113)이 장착되게 된다.

자기열교환유닛(113)은, 도 5 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 회전판(118)의 장착공에 장착되는 케이스(115)와, 이 케이스(115)에 밀봉된 상기 자기열량재료(112)로 구성되어 있다.

상기 케이스(115)는 서로 조립되는 하부케이스(115a)와 상부케이스(115b)로 구성되어, 자기열량재료(112)와 열전도유체 간의 직접적인 접촉없이 열교환을 행할 수 있다. 따라서, 자기열량재료(112)의 산화와 유실을 확실히 방지할 수 있다.

이때, 상기 케이스(115)는 열전달특성과 가공성이 우수한 알루미늄재질로 성형되는 것이 바람직하다.

또한, 상부케이스(115b)와 하부케이스(115a)의 밀봉 효율을 높이기 위하여, 틈새를 동브레이징하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 케이스(115)의 측면에는 소정간격마다 골(117)이 형성되어, 열전도유체와의 접촉길이를 늘려 열전달효율을 높일 수 있다.

상기 골(117)은 열전도유체와 접촉길이를 늘리기 위해 경사지게 구현하는 것이 바람직하다.

도 8에 도시한 바와 같이, 골(117)은 상단에서 하단으로 내려올수록 그 폭이 넓어지게 경사지거나, 도 9에 도시한 바와 같이, 골(119)의 폭 자체를 기울기거나 하면, 더욱 접촉길이를 늘릴 수 있다.

또한, 케이스(115)에는 열전도유체가 통과하는 관통공(121)을 형성하여, 열교환효율을 더욱더 높일 수 있다.

자석(140)은 제1파이프(130)와 제2파이프(131)의 직전의 회전판(118) 상하에 고정 배치되어, 상기 자기열교환유닛(113)이 통과할 때 자장을 인가하여 온도를 상승시키는 구성이다.

이하, 본 실시예의 자기냉동기의 사이클을 설명하는데, 실외기부(162)와 열교환하는 대기온도와 실내기부(163)와 열교환하는 실내온도는 26℃로 하고, 자기열량재료의 특성을 실험한 결과, 평상시 자기열량재료가 자화되면 대기온도보다 3℃ 정도 올라가며, 또한 열전도유체로 냉각시키면 대기온도보다 3℃ 정도 내려가는 특징을 가만해서 숫자로 예를 들어 설명한다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 모터(144)에 의해 회전판(118)이 회전하며 그에 따라 자기열교환유닛(113)들은 차례로 자석(140), 고온열교환부 및 저온열교환부을 통과한다.

자석(140)을 통과한 자기열교환유닛(113a)은 자기열량재료(112)가 가진 자기발열효과로 뜨거워지고(29℃), 이 열은 자기열량재료(112)를 지나는 제1파이프(130)의 제1열전도유체(17aa)에 의해 26℃로 냉각됨과 동시에 제1열전도유체(17ab)는 29℃로 가열된다. 가열된 제1열전유체(17ab)는 제2파이프(131)를 통해 고온열교환기(162)를 통과하여 열을 방출하고, 26℃의 온도로 냉각된 제1열전도유체(17aa)는 제1파이프(130)를 통해 다시 자기열교환유닛(113)을 통과하는 사이클을 반복한다.

제1열전도유체에 의해 열을 빼앗긴 자기열량재료(26℃)는 저온열교환부로 이동하는 동안 온도는 23℃로 내려간다. 이 23℃의 자기열량재료(113b)는 제3파이프(132)의 제2열전도유체(17bb)(26℃)를 거치면서 잃었던 자신의 열을 26℃로 다시 회복한 반면에 그 제2열전도유체의 온도는 23℃로 내려간다. 냉각된 제2열전도유체(17bc)는 제4파이프(133)를 통해 저온열교환기(163)를 통과하여 차가운 공기(23℃)를 방출하고, 26℃의 온도로 가열된 제2열전도유체(17bb)는 제3파이프(132)를 통해 다시 자기열교환유닛(113)을 통과하는 사이클을 반복한다.

이때, 제2파이프(131)와 제4파이프(133)에는 각각 펌프(160,161)가 설치되 어, 제1열전도유체(17aa,17ab)와 제2열전도유체(17bb,17bc)를 추진하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 열전도유체의 순환을 고온열교환부와 저온열교환부로 분리하여 2개의 사이클로 만들고 원형의 회전판(118)에 자기열량재료(112)를 장착하여 고온열교환부와 저온열교환부사이에서 회전시켜 열교환시킴으로써 자기냉동사이클의 구조를 크게 간단화시킬 수 있다.

또한, 이러한 시스템에서는 대기온도의 열전도유체가 자기열량재료에 투입되므로 재료의 상태에 따라 열전도유체가 기존보다 더욱 가열되며 또한 더욱 냉각되기에 열교환의 효율을 높일 수 있다.

또한, 고온열교환부와 저온열교환부로 분리되어 있어, 제1열전도유체와 제2열전도유체의 양을 서로 다르게 유동시킬 수 있는 컨트롤이 가능하다. 따라서, 고온측 자기열교환유닛에 많은 양의 제1열전도유체를 흘려 보내 자기열량재료의 열을 빠른시간 안에 최대한 냉각시킬 수 있다.

한편, 도 10에 도시한 바와 같이, 2단 사이클을 구현함으로써, 열전도유체의 온도 범위를 넓힐 수 있다.

즉, 도 10의 자기냉동기는 모터, 자석, 실내외기, 자기열량재료가 삽입된 자기열교환유닛이 장착된 제1회전판과 제2회전판으로 구성된다. 모터에 의해 제1회전판과 제2회전판이 동시에 회전하며 그에 따라 제1자기열교환유닛과 제2자기열교환유닛들은 차례로 자석, 고온부 및 저온부을 통과한다.

제1회전판을 보면, 제1자석을 통과한 제1자기열교환유닛은 자기열량재료가 가진 자기발열효과에 의해 뜨거워지고 이 열은 자기열량재료를 지나는 제1열전도유체에 의해 냉각됨과 동시에 제1열전도유체는 가열된다.

가열된 제1열전도유체는 실외기부를 통과하여 열을 방출하며 다시 제1자기열교환유닛을 통과하는 싸이클을 반복한다.

첫번째 고온부의 제1열전도유체에 의해 열을 빼앗긴(1차 냉각) 자기열량재료는 중간 저온부 열전도유체를 거치면서 다시 잃었던 자신의 열을 되찾는 반면에 그 중간열전도유체의 온도는 23℃로 내려간다.

2차 냉각된 중간열전도유체는 제2회전판의 제2자석에서 자화되어 29℃로 발열된 자기열량재료를 지나가면서(3차 냉각) 자신의 본래 온도로 되돌아가며 다시 2차 냉각으로 되돌아가면서 사이클이 반복된다.

3차 냉각에서 1,2차냉각 때보다 낮은 온도의 중간열전도유체로 냉각됨으로써 자기열량재료의 온도는 더욱 떨어지며, 비로써 4차 냉각을 통하여서 최저의 냉각온도인 20℃로 실내기에 들어가 실내온도를 내린다.

이를 숫자로 간단히 정리하면, 대기온도가 26℃일 때 제1회전판(윗판)의 제1자석에 의해 가열된 자기열량재료온도가 29℃로 올라가며 대기온도인 26℃의 제1열전도유체(17aa)로 1차 냉각시킬 때 자기열량재료는 23℃로 냉각되는 반면에 제1열전도유체(17ab)의 온도는 29℃로 올라가 실외부기를 통과하여 열을 방출하고 다시 대기온도로 제1자기열교환유닛을 통과하는 사이클을 반복한다.

대기온도인 26℃의 중간열전도유체가 23℃인 자기열량재료를 만나 2차 냉각되면, 자기열량재료는 원래 자신의 온도인 대기온도로 돌아가는 반면에 중간열전도 유체는 23℃로 내려간다.

23℃인 중간열전도유체가 제2회전판(아랫판)에서 자화되어 발열된 자기열량재료(29℃)를 3차 냉각하면서 자신의 본래 온도인 26℃가 되며 다시 2차 냉각으로 되돌아가면서 사이클이 반복된다.

자기열량재료는 3차 냉각에서 23℃의 중간열전도유체로 냉각됨으로써 23℃로 떨어지며, 비로써 4차 냉각을 통하여서 20℃의 냉각온도로 실내기에 들어가 실내온도를 20℃로 유지한다.

제1자기열량유닛의 저온측과 제2자기열량유닛의 고온측 사이을 순환하는 중간열전도유체를 안내하는 중간순환부재에 의해, 2차 냉각에서 4차 냉각으로 더 많은 냉각의 기회를 통하여 열전도유체의 온도 변화를 넓힐 수 있다.

본 발명의 자기열교환유닛 및 이를 채택한 자기냉동기는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

이상의 설명으로부터 명백하듯이, 본 발명의 자기열교환유닛 및 이를 채택한 자기냉동기에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

자기열량재료가 케이스 내에 밀봉됨으로써, 열전도유체와의 간접 접촉을 하기 때문에, 산화를 방지하여 반영구적으로 사용하는 것이 가능할 뿐 아니라 흐르는 열전도유체에 의해 유실되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 케이스의 측면에 골을 형성함으로써, 흐르는 열전도유체와의 접촉면적 을 크게 하여 열교환효율을 높일 수 있다.

또한, 골을 경사지게 형성함으로써, 보다 더 늘어난 접촉길이로 인해 열교환효율을 배가시킬 수 있다.

또한, 케이스를 알루미늄재질로 함으로써, 열전달특성과 가공성이 우수하다.

또한, 열전도유체의 순환을 고온열교환부와 저온열교환부로 분리하여 2개의 사이클로 만들고 원형의 회전판에 자기열량재료를 장착하여 고온열교환부와 저온열교환부사이에서 회전시켜 열교환시킴으로써 자기냉동사이클의 구조를 크게 간단화시킬 수 있다.

Claims

하부케이스와 상부케이스를 갖는 케이스;

상기 케이스 내에 밀봉되어 자장이 인가될 때 온도가 변화하는 자기열량재료를 포함하여 이루어지되,

상기 케이스에는 열전도유체가 통과되는 관통공이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 자기냉동기용 자기열교환유닛.
제1항에 있어서,

상기 케이스의 측면에는 소정간격마다 골이 형성되는 것을 특징으로 하는 자기냉동기용 자기열교환유닛.
제2항에 있어서,

상기 골은 상기 상부케이스의 상측에서 상기 하부케이스의 하측을 향해 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 자기냉동기용 자기열교환유닛.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 케이스는 알루미늄재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기냉동기용 자기열교환유닛.
제4항에 있어서,

상기 상부케이스와 하부케이스는 동브레이징에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 자기냉동기용 자기열교환유닛.
(삭제)
제1항에 있어서,

상기 자기열량재료는 가돌리늄(Gd)인 것을 특징으로 하는 자기냉동기용 자기열교환유닛.
열전도유체의 흐름을 통과시키는 복수개의 자기열교환유닛;

상기 자기열교환유닛이 원주방향을 따라 소정 간격마다 설치되는 회전판;

상기 회전판 사이에 배치되며, 상기 자기열교환유닛이 통과할 때 자장을 인가하여 온도를 상승시키는 자석;

상기 자기열교환유닛의 고온측에 배치되는 고온열교환부재;

상기 자기열교환유닛의 저온측에 배치되는 저온열교환부재를 포함하되,

상기 자기열교환유닛은 하부케이스와 상부케이스를 갖는 케이스와, 상기 케이스 내에 밀봉되어 자장이 인가될 때 온도가 변화하는 자기열량재료로 구성되고,

상기 케이스에는 열전도유체가 통과되는 관통공이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 자기냉동기.
제8항에 있어서,

상기 케이스의 측면에는 소정간격마다 골이 형성되되,

상기 골은 상기 상부케이스의 상측에서 상기 하부케이스의 하측을 향해 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 자기냉동기.
제9항에 있어서,

상기 케이스는 알루미늄재질로 이루어지고,

상기 상부케이스와 하부케이스는 동브레이징에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 자기냉동기.
제10항에 있어서,

상기 자기열량재료는 가돌리늄(Gd)인 것을 특징으로 하는 자기냉동기.