KR100962136B1

KR100962136B1 - 냉난방 시스템

Info

Publication number: KR100962136B1
Application number: KR1020080056262A
Authority: KR
Inventors: 한광옥; 김용철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2010-06-10
Also published as: US20090308080A1; KR20090130567A

Abstract

축방향 이동 가능한 회전축(11)을 따라 병렬 배치된 복수개의 자성 디스크(10); 이 자성 디스크들 각각의 회전 반경 내에 설치되어, 일정 구간 내에서, 회전하는 자성 디스크(10)에 자기장을 제공하는 영구자석(20); 이 영구자석(20) 측에 설치되며 다수의 방열핀(31)을 구비하는 난방용 열교환기(30); 및 상기 난방용 열교환기(30)의 맞은 편에 설치되며 다수의 흡열핀(41)을 구비하는 냉방용 열교환기(40);를 포함하고 격벽에 의해 서로 구획된 난방 유로와 냉방 유로를 구비하며, 상기 난방용 열교환기(30)는 난방 유로에 배치되며, 상기 냉방용 열교환기(40)는 냉방 유로에 배치된 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템이 소개된다. 이러한 냉난방 시스템은, 구조가 간단하고 환경오염의 우려가 없을 뿐만 아니라 엔진열이나 냉매를 이용하지 않으므로, 하이브리드나 전기 자동차 등에 적용될 차세대 공조시스템으로 적합하다.

냉난방, 자기열 효과

Description

냉난방 시스템{Air Conditioning System}

본 발명은 냉난방 시스템에 관한 것으로, 특히 자기열 효과(magnetocaloric effect)를 이용한 차량용 냉난방 시스템에 관한 것이다.

자기열 효과는 강자성 물질에 외부에서 강한 자기장을 걸어주면 자기장이 걸린 강자성 물질의 온도가 증가하고 자기장이 없어지면 강자성 물질의 온도가 내려가는 현상을 말하는 것이다.

이러한 자기열 효과는 엔트로피 보존법칙에 기인하는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 외부의 자성 물체(2)에서 발생되는 자기장에 의해 강자성 물질(1)이 자화되면, 그 물질의 스핀이 정렬 → 자기 엔트로피 감소 → 총 엔트로피 보존법칙에 따라 원자 격자 엔트로피가 증가(원자 격자의 진동 증가) → 열이 발생하게 되며, 반면에 강자성 물질(1)에 걸린 자기장이 없어지면 원자 격자 엔트로피가 감소하여 강자성 물질의 온도가 하강하게 되는 것이다.

한편, 현재 차량용 공조 시스템의 경우, 엔진열을 난방에 이용하나, 오일 고갈 및 환경 오염에 대한 우려로 인해 세계 각국에서는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있고, 이에 따라, 엔진열을 이용하는 종 래의 차량 난방방식을 다른 방식으로 대체되어야 할 현실적인 필요가 있다. 또한, 차량 냉방에는 주로 R-134a라는 암모니아계 가스가 이용되나, 이러한 냉매는 오존층 파괴 등 환경문제를 야기할 뿐만 아니라, 컴프레셔, 콘덴서, 냉매 파이프, 히터 호스 등 많은 부가적인 장치를 필요로 하기 때문에, 원가, 중량 절감 및 환경 보존의 차원에서 자기열 효과를 이용한, 소위 자기냉난방 공조시스템의 개발이 절실한 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 환경오염의 우려가 없으며 상기된 부가장치나 필요가 없는 자기열 효과를 이용한 냉난방 시스템, 특히 차량용 냉난방 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉난방 시스템은, 회전축을 따라 병렬 배치된 복수개의 자성 디스크; 상기 자성 디스크들 각각의 회전 반경 내에 설치되어, 일정 구간 내에서, 회전하는 자성 디스크에 자기장을 제공하는 영구자석; 상기 영구자석 측에 설치되며 다수의 방열핀을 구비하는 난방용 열교환기; 및 상기 난방용 열교환기의 맞은 편에 설치되며 다수의 흡열핀을 구비하는 냉방용 열교환기;를 포함한다.

바람직하게는, 상기 회전축은 축방향 이동 가능하다.

또한 바람직하게는, 상기 시스템은 격벽에 의해 서로 구획된 난방 유로와 냉방 유로를 구비하며, 상기 난방용 열교환기는 난방 유로에 배치되며, 상기 냉방용 열교환기는 냉방 유로에 배치된다.

또한 바람직하게는, 상기 열교환기들의 상류 측에 겸용 송풍기가 설치되며, 상기 열교환기들의 하류 측 격벽에 온도 도어가 설치되거나, 상기 열교환기들 각각의 상류 측에 각 열교환기에 공기를 공급하는 송풍기가 각각 설치된다.

본 발명에 따른 또 다른 냉난방 시스템은, 회전 가능하게 설치된 중공의 자 성 디스크; 상기 자성 디스크의 회전 반경 내에 설치되어, 일정 구간 내에서, 회전하는 자성 디스크에 자기장을 제공하는 영구자석; 상기 자성 디스크 내부에 자성 디스크와 함께 회전되지 않도록 설치되며, 그 내부를 영구자석 측과 그 반대 측 공간으로 서로 구분하는 단열 칸막이; 유체가 상기 자성 디스크 내부로 공급되어 영구자석 측을 거쳐 난방용 열교환기에서 열교환되도록 구성된 난방 유로; 및 유체가 상기 자성 디스크 내부로 공급되어 영구자석 반대 측을 거쳐 냉방용 열교환기에서 열교환되도록 구성된 냉방 유로;를 포함한다.

본 발명에 따른 또 다른 냉난방 시스템은, 축방향 왕복운동 가능하게 설치된 원통형의 이동체; 상기 이동체의 외면에 서로 반대되는 방향에 설치된 자성체 쌍; 및 상기 이동체 외측에 이격 설치되어, 일정 구간 내에서, 자성체 쌍 각각에 자기장을 제공하는 영구자석 쌍;을 포함하며, 상기 이동체는 축을 중심으로 일정 각도 회전시켜 상기 자성체 쌍과 영구자석 쌍 간의 대면 면적을 조절할 수 있다.

상술한 바와 같은 냉난방 시스템은, 환경오염의 우려가 없으며 구조가 간단하며 부가장치가 필요가 없어 원가 절감이 가능하다.

또한, 냉난방에 엔진열이나 냉매를 이용하지 않으므로, 하이브리드나 전기 자동차 등에 적용될 차세대 공조시스템으로 적합하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉난방 시스템에 대하여 살펴본다.

[제1 실시예]

도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 냉난방 시스템은 회전하는 자성 디스크(10)의 일측에 영구자석(20)이 설치되어 회전 각도에 따라 자성 디스크(10)가 방열 또는 흡열을 하며, 이러한 열은 열교환기(30,40)에서 외부로부터 유입되는 공기를 가열 또는 냉각시키는 공냉식으로 구성된다.

자성 디스크(10)는 회전축(11)을 따라 복수개 병렬 배치되는데, 중앙부가 개방된 원반형의 형상으로 이루어지며 중앙부에는 각 자성 디스크(10)가 회전축(11)을 공유할 수 있도록 십자형의 프레임이 마련된다.이러한 자성 디스크(10)의 소재로는 실온 근처에서 큰 자기열 효과를 보이는 강자성 물질이 이용된다. 일례로, 희토류 금속으로서 자화율이 큰 가돌리늄(gadolinium) 금속이나, GdSiGe계 혼합물이 사용될 수 있다.

영구자석은 자성 디스크(10)들 각각의 회전 반경 내에 설치되어, 일정 구간 내에서, 회전하는 자성 디스크(10)에 자기장을 제공한다. 영구자석(20)에는 수용홈이 마련되며, 이 수용홈의 양측에 영구자석(20)의 N극과 S극이 서로 마주하여 배치된다. 회전하는 자성 디스크(10)는 수용홈 내에서 영구자석(20)에 의한 자기장을 수직한 방향으로 교차하게 된다. 이러한 영구자석(20)이 자성 디스크(10)에 제공하는 자기장의 크기는 바람직하게는 2테슬라 이상 되어야 한다. 한편, 영구자석(20) 대신에, 초전도 자석이나 전자석이 사용될 수 있음은 당연하다.

열교환기는 난방용 열교환기(30)와 냉방용 열교환기(40)로 구성된다. 난방용 열교환기(30)는 영구자석(20) 측에 설치되며 다수의 방열핀(31)을 구비하며, 냉방 용 열교환기(40)는 난방용 열교환기(30)의 맞은 편에 설치되며 다수의 흡열핀(41)을 구비한다. 회전하는 자성 디스크(10) 중, 영구자석(20)의 수용홈에 진입되어 가열되는 부위는 난방용 열교환기(30)을 통하여 열을 발산되며, 수용홈을 빠져 나와 냉각되는 부위는 냉방용 열교환기(40)로부터 열을 흡수하게 된다.

도 4를 참조하여 위와 같은 냉난방 시스템의 온도 조절방법을 살펴본다. 영구자석(20)의 수용홈 내에서의 자속 밀도는 위치 마다 조금 상이하다. 즉, N극 부근, 혹은 S극 부근의 자속 밀도가 높다고 말할 수 있으며, N극과 S극의 중간 지점에서의 자속 밀도는 조금 낮다. 따라서, 도 4에서 보듯이, 자성 디스크(10)의 회전축(11)을 축방향 이동 가능하도록 구성하여, 자성 디스크(10)의 자기장 선속과의 교차량을 조절하면 시스템의 냉난방 온도 조절이 가능하다. 영구자석의 경우 자기장의 세기를 임의로 조절할 수 없으나, 위와 같은 방법을 이용하면 원하는 냉난방 목표 온도를 맞추기 위한 온도 제어가 가능하게 되는 것이다.

도 5 및 도 6을 참조하여 위에서 설명된 시스템의 활용예들을 살펴본다.

도 5에서 보듯이, 시스템은 격벽(61)에 의해 서로 구획되는 난방 유로와 냉방 유로를 구비하여, 난방용 열교환기(30)는 난방 유로에 배치되며 냉방용 열교환기는 냉방 유로에 배치되도록 구성된다. 그리고, 열교환기들(30,40)의 상류 측에 난방 유로와 냉방 유로 양측에 모두 송풍을 하는 겸용 송풍기(50)가 설치되며, 열교환기들(30,40)의 하류 측 격벽에 온도 도어(70)가 설치된다. 온도 도어(70)는 열교환기들(30,40)의 상류 측에 설치될 수도 있겠으나, 이 경우, 공기의 흐름 상 난방 유로와 냉방 유로를 흐르는 공기가 서로 섞이게 되는 문제가 발생할 수 있다. 미설명 부호 60은 종래의 HVAC 하우징에 해당하는 케이스이다.

한편, 도 6에서 보듯이, 송풍기(50)는 열교환기들(30,40) 각각의 상류 측에는 별도로 설치될 수 있다. 이 경우, 온도 도어는 생략된다.

[제2 실시예]

냉난방 시스템은 공냉식의 제1실시예와 달리 수냉식으로 구성될 수도 있다.

도 7을 참조하면, 제2 실시예에 따른 냉난방 시스템은, 제1 실시예에서와 마찬가지로 회전축(201)을 중심으로 회전하는 자성 디스크(200)의 일측에 자기장을 제공하는 영구자석(230)이 설치되나, 다만, 제1 실시예에서와는 달리 자성 디스크(200)는 중앙부가 개방되어 있지 않으며 중공의 구조를 갖는다.

자성 디스크(200)의 내부 구조를 살펴보면, 중공의 자성 디스크(200) 내벽면에는 물과의 접촉을 방지하되 열전달성이 우수한 케이싱(210)이 설치되며, 이 케이싱(210) 내부에는 단열 칸막이(220)가 설치된다. 단열 칸막이(220)의 수직부는 케이싱(210) 내부 공간을 영구자석 측과 그 반대 측 공간으로 서로 구분하며, 수평부는 케이싱(210) 내부를 흐르는 유체와 케이싱(210) 간의 열전달 접촉 면적이 크게 한다.

한편, 자성 디스크(200)와 케이싱(210)은 회전축(201)을 중심으로 함께 회전되나, 단열 칸막이(220)는 함께 회전되지 않고 고정된다. 회전하는 자성 디스크(200)의 영구자석(230) 측 부위는 항상 열이 발생하며 그 반대 측 부위는 열을 흡수하므로, 자성 디스크(200)의 회전에도 불구하고 단열 칸막이(220)는 고정되어 있는 경우, 난방 시에는 자성 디스크(200) 내부의 영구자석 측(즉, 난방 유로)으로 만 물이 흐르도록 하고, 냉방 시에는 그 반대편 측(즉, 냉방 유로)으로만 물이 흐르도록 할 수 있다. 물론, 단열 칸막이(220)에 대하여 자성 디스크(200)가 상대 회전하므로, 단열 칸막이(220)와 자성 디스크(200), 보다 엄밀하게는 단열 칸막이(220)와 케이싱(210) 간의 틈을 통하여 물이 난방 유로로부터 냉방 유로로 혹은 그 반대로 물이 스며드는 일은 발생될 수 있을 것이다.

위와 같이 자성 디스크(200) 내부의 난방 유로를 통과한 물은 난방용 열교환기에서 열을 빼앗긴 후 펌프로 유입되며, 냉방 유로를 통과한 물은 냉방용 열교환기에서 열을 얻은 후 펌프로 유입된다. 그리고, 펌프는 각 유로를 따라 물을 다시 순환시킨다.

[제3 실시예]

제1 및 제2 실시예에서와 달리, 강자성 물질은 영구자석에 대하여 왕복 운동하도록 구성될 수 있다.

도 8에서 보듯이, 제3 실시예에 따른 냉난방 시스템은, 축방향 왕복운동 가능하게 설치된 원통형 이동체(100)의 외면에 자성체 쌍(110)이 설치되며, 이 자성체 쌍(110)에 대응하여 외측에 영구자석 쌍(120)이 설치된 구조로 이루어질 수 있다. 자성체 쌍(110)은 이동체(100)의 외면에 서로 반대되는 방향에 설치되며, 영구자석 쌍(120)은 이동체(100) 외측에 이격 설치되어, 일정 구간 내에서, 축방향을 따라 왕복 운동하는 자성체 쌍(110) 각각에 자기장을 제공할 수 있도록 설치된다.

한편, 도 9에서 보듯이, 이동체(100)는 중앙부에 배치된 축(101)을 중심으로 원주방향 회전될 수 있다. 이동체(100)를 축(101)을 중심으로 일정 각도 회전시켜, 자성체 쌍(110)과 영구자석 쌍(120) 쌍 간의 대면 면적을 조절할 수 있으며, 이로써 목표로 하는 냉난방 온도를 조절할 수 있게 된다. 제1 실시예에서 설명된 바와 같이, 자성체 쌍(110)과 자기장 선속과의 교차량 조절을 통해 온도를 제어하는 것이다.

위와 같은 제3 실시예에 따른 냉난방 시스템의 열교환 및 순환시스템은 앞서 설명된 제1 및 제2 실시예, 그리고 공지된 기술을 기초로 하여 다양하게 설계될 수 있을 것이다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.

도 1은 자기열 효과의 설명을 위한 도면,

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 냉난방 시스템의 기본 구성의 설명을 위한 도면,

도 3은 도 2에서 A-A로 표시된 선을 따라서의 단면도,

도 4는 도 2에 도시된 냉난방 시스템의 온도 조절 방법의 설명을 위한 도면,

도 5는 도 2에 도시된 냉난방 시스템의 활용예,

도 6은 도 2에 도시된 냉난방 시스템의 또 다른 활용예,

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 냉난방 시스템을 도시한 도면,

도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 냉난방 시스템을 도시한 도면,

도 9는 도 8에 도시된 시스템을 위에서 바라본 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,200: 자성 디스크 11: 회전축

20,120,230: 영구자석 30: 난방용 열교환기

31: 방열핀 40: 냉방용 열교환기

41: 흡열핀 50: 송풍기

60: 케이스 61: 격벽

70: 온도 도어 100: 회전체

110: 자성체 쌍 210: 케이싱

220: 단열 칸막이

Claims

축방향 이동 가능한 회전축을 따라 병렬 배치된 복수개의 자성 디스크;

상기 자성 디스크들 각각의 회전 반경 내에 설치되어, 일정 구간 내에서, 회전하는 자성 디스크에 자기장을 제공하는 영구자석;

상기 영구자석 측에 설치되며 다수의 방열핀을 구비하는 난방용 열교환기; 및

상기 난방용 열교환기의 맞은 편에 설치되며 다수의 흡열핀을 구비하는 냉방용 열교환기;를 포함하고 격벽에 의해 서로 구획된 난방 유로와 냉방 유로를 구비하며, 상기 난방용 열교환기는 난방 유로에 배치되며, 상기 냉방용 열교환기는 냉방 유로에 배치된 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
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청구항 1에 있어서, 상기 열교환기들의 상류 측에 겸용 송풍기가 설치되며, 상기 열교환기들의 하류 측 격벽에 온도 도어가 설치된 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 열교환기들 각각의 상류 측에는 각 열교환기에 공기를 공급하는 송풍기가 각각 설치된 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
삭제
축방향 왕복운동 가능하게 설치된 원통형의 이동체;

상기 이동체의 외면에 서로 반대되는 방향에 설치된 자성체 쌍; 및

상기 이동체 외측에 이격 설치되어, 일정 구간 내에서, 자성체 쌍 각각에 자기장을 제공하는 영구자석 쌍;을 포함하며,

상기 이동체는 축을 중심으로 일정 각도 회전시켜 상기 자성체 쌍과 영구자석 쌍 간의 대면 면적을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.