KR101570548B1

KR101570548B1 - 자기열 물질을 지닌 열 발생기

Info

Publication number: KR101570548B1
Application number: KR1020107009463A
Authority: KR
Inventors: 쟝-클로드 헤이트젤르; 크리스티앙 뮐러
Original assignee: 쿨테크 어플리케이션즈 에스.에이.에스.
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2015-11-19
Also published as: PL2215410T3; RU2502025C2; AU2008346318A1; AU2008346318B2; AR069051A1; CN101842647A; WO2009087310A8; TWI429868B; EP2215410B1; FR2922999A1; HK1148341A1; TW200925531A; WO2009087310A3; WO2009087310A2; ATE511622T1; BRPI0818342A2; US20100236258A1; ES2367214T3; RU2010116932A; US8869541B2

Abstract

본 발명은 열 발생기에 관한 것으로서, 상기 열 발생기는 다음과 같은 특징을 지니고 있다. 상기 열 발생기에는, 중심축(A) 둘레의 원(circle)에 배치되고 자기 장치들(3)에 의해 발생되는 자기장의 변동의 영향을 받아 온도가 변화하는 N 개의 인접한 자기열 엘레먼트들(2)이 포함되어 있는 하나 이상의 열 모듈(thermal module)(10)이 포함되어 있다. 상기 자기열 엘레먼트들(2)은, 상기 열 모듈(10) 내에 함유되어 있는 열전달 유체를 동시에 두 반대방향으로 이동시키도록 작동 캠(70)에 의해 왕복 병진 운동으로 구동되는 N 개의 피스톤들(40)과 연계되어있어서, 열전달 유체의 제1 부분(first fraction)은 히팅 사이클(heating cycle) 하의 자기열 엘레먼트들(2)을 통해 핫 교환 챔버(hot exchange chamber)(5) 쪽으로 순환하고, 열전달 유체의 제2 부분은 쿨링 사이클(cooling cycle) 하의 자기열 엘레먼트들(2)을 통해 콜드 교환 챔버(cold exchange chamber)(6) 쪽으로 순환하고, 또 이와 반대로 순환한다. 상기 교환 챔버들(5, 6)들은, 히팅 서킷들(heating circuits), 공기조화 서킷들, 템퍼링 서킷들(tempering circuits) 등과 같이, 칼로리들(calories) 및 프리거리들(frigories)을 소모하는 외부 서킷들에 연결된다.

Description

자기열 물질을 지닌 열 발생기 {THERMAL GENERATOR WITH MAGNETO-CALORIC MATERIAL}

본 발명은 열 발생기(heat generator)에 관한 것으로서, 상기 열 발생기는 자기열 엘레먼트들(magnetocaloric elements)과, 상기 자기열 엘레먼트들이 자기장(magnetic field)의 변화를 받게 하여 각 자기열 엘레먼트 내에 히팅 사이클(heating cycle) 및 쿨링 사이클(cooling cycle)을 교호적으로 발생시키게끔 설치된 자기 장치(magnetic device)와, 히팅 및 쿨링 사이클 동안에 상기 자기열 엘레먼트들에 의해 생성된 칼로리들(calories) 및/또는 프리거리들(frigories)을 수집하게끔 배열된 하나 이상의 열전달 유체(heat transfer fluid)와, 상기 열 발생기의 핫 단부(hot end) 및 콜드 단부(cold end)에 제각기 배치되어 있는 하나 이상의 핫 교환 챔버(hot exchange chamber) 및 콜드 교환 챔버(cold exchange chamber)와, 상기 자기열 엘레먼트들과 상기 교환 챔버들 사이에서 열전달 유체를 순환시키는 수단을 포함하며, 상기 열 발생기에는, N 개의 자기열 엘레먼트들 한 세트 이상을 포함하는 하나 이상의 열 모듈(thermal module)이 포함된다.

자기 냉동 기술(magnetic refrigeration technology)은 20 년 이상동안 알려져 왔으며, 생태학적이고 지속가능한 발전 측면에서 이것이 제공하는 장점들이 널리 알려져 있는 상황이다. 유효한 열발생 및 그 효율 측면에서 제한이 있다는 것 또한 잘 알려져 있다. 따라서, 이 분야에서 이루어진 모든 연구들은, 자화 동력(magnetization power), 자기열 엘레먼트의 성능, 열전달 유체와 자기열 엘레먼트들 사이의 열교환면(heat exchange surface), 열교환기의 성능 등과 같은 다양한 파라미터들을 조절하여 열 발생기의 성능을 향상시키고자 하는 경향을 보이고 있다.

공개된 미국 특허 제4,829,770호에서는 특히 자기열 엘레먼트들의 성분을 고찰하고, 이러한 엘레먼트들을 이용한 열 발생기에 대해 기술하고 있는데, 이의 작동은 스터링엔진(Stirling engine)의 원리에 기초하고 있다. 열전달가스 특히 질소는 이들 고정된 자기열 엘레먼트들을 통과하며, 조립체 전체는 자기장 변화에 동기화하여 왕복 병진 운동(reciprocating translation movement)을 하게 되는 탱크 내에 내장되어 있다. 열전달가스에 의해 수집된 칼로리들 및 프리거리들을 외부 서킷(external circuit)에 전달하기 위해 헬륨 열교환기가 탱크의 핫 및 콜드 단부들에 연결되어 있다. 상기 자기열 엘레먼트들은 다공의 디스크들(porous discs)로 나타나며, 상기 자기열 엘레먼트들은 상기 탱크 내에 적층(stack)되어, 선정된 실시예에 따라, 서로 분리되어 여러 개의 챔버들을 형성하거나 또는 서로 결합되어 두 개의 챔버만을 형성한다. 탱크의 운동 각각은 콜드 사이클 또는 핫 사이클에 해당하며, 열전달가스가 한 방향으로만 순환하게 한다. 이렇게 하여 칼로리들 및 프리거리들을 생산하는 사이클들은 교호적(alternate)이며, 동시적이 아니다. 더욱이 가스의 열전달 능력은 액체의 열전달 능력에 비해 현저히 효율성이 떨어진다. 또한 열전달가스와 자기열 엘레먼트들 사이의 열교환면은 지극히 제한적이다. 대략 영하 200 ℃에 달하는 극저온의 작동온도를 고려해보면, 이러한 열 발생기의 용도는 실험실용으로만 국한되게 된다. 결론적으로 이러한 열 발생기의 열적 가치(calorific value)는 매우 낮아서 산업용이나 가정용 분야에는 적합하지 않다.

국제 특허 공보 WO 2005/093343에는 열전달 유체로서 자동차의 가열되고 냉각되는 공기를 사용하는 자기열 열 발생기가 기술되어 있다. 이는 시동 단계에서 냉방 시스템이 폐쇄 루프(closed loop)로 작동하게끔 설계되어 있는데, 피스톤 및 워킹빔(walking beam) 시스템을 사용하여 원하는 온도 구배(temperature gradient)가 얻어질 때까지,공기가 왕복운동에 따라 자기열 엘레먼트를 통해 핫 탱크 및 콜드 탱크 사이를 순환한다. 이전의 사례에서와 같이, 각 피스톤 운동은 콜드 또는 핫 사이클에 해당하며, 공기가 한 방향으로만 순환하게 한다. 이렇게 하여 칼로리들 및 프리거리들을 생산하는 사이클들은 교호적이며, 동시적이 아니다. 더욱이 공기와 자기열 엘레먼트 사이의 열교환면은 지극히 제한적이고, 또한 열전달 유체가 액체가 아닌 가스라는 점에서, 산업용이나 가정용 분야에 적합하도록 충분한 열적 가치가 얻어지지 않는다.

본 출원인이 출원한 국제 특허 공보 WO 2007/026062에는 두 개의 별도 콜렉팅 서킷들(collecting circuits), 즉 핫 콜렉팅 서킷 및 콜드 콜렉팅 서킷을 포함하는 자기열 발생기가 기술되어 있는데, 이들은 서로에 대해 수밀상태로 되어 있으며, 칼로리들 및 프리거리들을 추출하는 수단의 역할을 하는 하나의 열교환기에 이들 둘 모두가 연결되어 있다. 열전달 유체는 상기 콜렉팅 서킷들 내의 폐쇄 루프를 순환하며, 상기 콜렉팅 서킷들은 열 발생기의 외부 부분을 포함하면서, 하나 이상의 펌프, 자기장의 변동에 동기화되는 소통 수단, 덕트들(ducts) 및 연결구들(connections)을 필요로 한다.

본 발명은, 경제적으로 성공할 수 있고 산업용 및 가정용 분야에서의 주어진 사양에 따라 쉽게 구성될 수 있는 모듈식(modular)의, 자기열 재료를 지닌 열 발생기를 기초로 하여 산업적 해법을 도입함으로써, 이러한 문제점들을 해결하고자 한다. 또한, 본 발명은, 하나 이상의 수압 시스템 사용을 없앰으로써 열전달 유체 순환 방식을 단순화하고 합리화하고자 한다.

상기의 목적을 위해서, 본 발명은 전제부에 기술된 것과 같은 종류의 열 발생기에 관한 것으로서, 다음과 같은 특징을 지니고 있다. 순환시키는 수단(means of circulation)은 자기장의 변동에 동기화하여, 왕복운동으로, 열 모듈 내에 있는 열전달 유체가 자기열 엘레먼트들을 거쳐 핫 교환 챔버 및 콜드 교환 챔버 사이에서 동시에 반대방향으로 서로 번갈아 순환하게끔 배치되어 있어서, 열전달 유체의 제1 부분(first fraction)은, 히팅 사이클 하의 자기열 엘레먼트들을 통해 핫 교환 챔버 쪽으로 순환하고, 열전달 유체의 제2 부분은, 쿨링 사이클 하의 자기열 엘레먼트들을 통해 콜드 교환 챔버 쪽으로 순환하고, 또 이와 반대로 순환하게 된다. 상기 순환시키는 수단은 N 개의 피스톤들 한 세트 이상을 포함하고 있으며, 상기 N 개의 피스톤들은 상기 자기열 엘레먼트들과 대립하여 위치하고, 하나의 작동기(actuator)에 의해 구동되는 하나 이상의 작동 캠(actuating cam)을 포함하는 구동 메카니즘(driving mechanism)에 의해 왕복 병진 운동을 하게 된다.

이렇게 하여, 동시적이며 병렬적으로 작동하는 N 개의 소형 열 발생기들이 얻어지는데, 이로 인해 열전달 유체의 열교환면 및 열 발생기의 열적 가치는 계수 N을 곱한 값을 얻을 수 있게 된다. 또한, 열전달 유체가 양방향으로 순환함으로 인해, 자기장의 증가 영향을 받게 되는 자기열 엘레먼트들에 의해 생산되는 칼로리들(히팅 사이클)과, 자기장의 감소 영향을 받게 되는 자기열 엘레먼트들에 의해 생산되는 프리거리들(쿨링 사이클)을 동시에 수집하는 것이 가능하므로, 각 자기 사이클(magnetic cycle)이 최적으로 활용될 수 있다.

핫 및 콜드 교환 챔버들은 열 발생기에 의해 생산된 열적 에너지를 회수하는 챔버들을 형성하며, 이로 인해, 한편으로 핫 챔버를 위한 히팅 사이클로부터 나오는 열전달 유체와, 다른 한편으로 콜드 챔버를 위한 쿨링 사이클로부터 나오는 열전달 유체의 혼합이 가능해진다.

상기 자기열 엘레먼트들은, 미세구멍들(pores), 채널들(channels), 그루브들(grooves) 또는 이들 엘레먼트들의 조합으로 형성된 이머징 유체 통로들(emerging fluid passages)을 포함하는 것이 바람직하다.

바람직한 실시예에서, 상기 순환시키는 수단은, 열전달 유체를 양방향으로 순환시키기 위해, 상기 자기열 엘레먼트들의 각 측부에 위치하는 N 개의 피스톤들 두 세트를 포함하고 있다.

상기 작동 캠은, 대체적으로 사인곡선 형상을 지닌 캠 프로파일(cam profile)을 포함할 수 있으며, 사인곡선의 진폭은 상기 피스톤들의 스트로크(stroke)를 결정해주고, 사인곡선의 위상은 전반적으로 상기 자기열 엘레먼트들의 히팅 사이클 및 쿨링 사이클에 대응하게 된다.

상기 자기열 엘레먼트들의 근처에서, 자기 장치들은, 자화 존들(magnetized zones) 및 비자화 존들(non magnetized zones)이 교호적으로 형성된 하나 이상의 자기 배열(magnetic arrangement)을 포함할 수 있으며, 상기 자기 배열은 작동기와 결합되어 상기 자기열 엘레먼트들에 대해 움직일 수 있게 되어 있다.

상기 자기 장치들은 바람직하게, 상기 자화 존들에 의해 생성되어 상기 자기열 엘레먼트들을 통과하는 자속(magnetic flux)을 밀폐시키기 위해, 상기 자기 배열과 대립하여 위치한 자기장 밀폐 장치(field closing device)를 포함하고 있다.

상기 자기 배열의 자화 존들 및 비자화 존들에 의해 형성된 각 쌍은 유리하게도, 상기 캠 프로파일의 사인곡선에 전반적으로 해당하는 거리에 대해 연장되어 있다.

바람직한 실시예에서, 각 자화 존은, 높은 투자율(magnetic permeability)을 지닌 코어(core) 상에 조립된 서로 반대 극성인 둘 이상의 영구자석들을 포함하여, 상기 영구자석들의 자속을 자기열 엘레먼트들을 향해 집중시킬 수 있다.

상기 열 모듈은 유리하게 원형의 구조를 지니며, 상기 원형의 구조 내에는 자기열 엘레먼트들이 중심축 둘레의 원에 배열되어 있으며, 작동 캠 및 자기 배열은 상기 중심축에 대해 동심을 이루면서 상기 중심축 둘레를 회전하게 된다.

대안의 실시예에서, 상기 열 모듈은 선형의 구조를 가질 수도 있으며, 상기 선형의 구조 내에는 자기열 엘레먼트들이 나란히 정렬되어 있으며, 작동 캠 및 자기 배열은 상기 자기열 엘레먼트들을 따라 왕복 병진식으로 구동된다.

열 발생기는 유리하게, X 개의 열 스테이지들(thermal stages)을 지닌 열 발생기를 형성하게끔 적층된(stacked) X 개의 열 모듈들을 포함하며, 상기 열 모듈들은 중간 챔버들(intermediate chambers)을 이용하여 쌍으로 조립될 수 있으며, 이 경우, 두 개의 연이은 열 모듈들의 피스톤들은 유리하게 공유가 된다.

이렇게 여러 개의 열 모듈들을 적층시킴으로써, 열전달 유체의 히팅 및 쿨링을 단계식 방법으로 이룰 수 있어서, 상기 열 발생기의 핫 및 콜드 단부들 사이의 온도 구배를 원하는 대로 증가시키는 것이 가능하다.

중간 챔버들은 상기 피스톤들과 소통하여, 두 개의 연이은 열 모듈들 사이에 열전달 유체 혼합 챔버들(heat transfer fluid mixing chambers)을 형성할 수 있다.

또한, 중간 챔버들은 상기 피스톤들과 소통하지 않을 수도 있으며, 열전달 유체는 하나의 열 모듈에서 상기 자기열 엘레먼트들을 거쳐 다른 열 모듈로 흐르게 된다.

핫 교환 챔버 및 콜드 교환 챔버는 각각, 해당되는 교환 챔버 내부의 온도가 소정의 온도에 도달한 후에만 열 교환을 가능케 하는 장치가 장착된 외부 서킷(external circuit)에 연결될 수 있다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 두 가지 실시예에 대해 설명함으로써 본 발명의 장점들이 보다 잘 이해될 것인데, 이는 예시적인 것으로서 제한적이 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 열 발생기의 제1 실시예에 대해 부분적으로 분해된 사시도이다.
도 2는 도 1의 열 발생기의 일부에 대한 사시도이다.
도 3은 도 1의 열 발생기에 대한 평면도이다.
도 4는 도 3의 열 발생기에 대한 축방향 단면도이다.
도 5 내지 도 8은 도 3의 열 발생기에 대한 반경방향 단면도로서, 제각기 선Ⅴ-Ⅴ, Ⅵ-Ⅵ, Ⅶ-Ⅶ, Ⅷ-Ⅷ에 따른 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 열 발생기의 제2 실시예에 대해 부분적으로 분해된 사시도이다.
도 10은 도 9의 X 부분을 확대한 도면이다.
도 11은 도 9의 열 발생기에 대한 축방향 단면도이다.

도 1 내지 도 8, 특히 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 열 발생기(1)에는 열 모듈(thermal module)(10)이 포함되어 있는데, 상기 열 모듈(10)에는, 중심축 A를 중심으로 한 원에 인접 배치되어 환형의 실린더형 구조(annular cylindrical structure)를 형성하는 N 개의 자기열 엘레먼트들(2)이 포함되어 있다. 본 실시예는 단지 예시적인 것으로서, 상기 열 발생기(1)는 선형 구조(linear structure)를 지닐 수도 있다.

상기 열 발생기(1)에는 자기 장치들(magnetic devices)(3)이 포함되어 있는데, 상기 자기 장치들(3)은 자기열 엘레먼트들(2)로 하여금 교호적으로 자기장의 변동을 받게 하여, 카르노 사이클(Carnot cycle)에 따라 자기열 엘레먼트들(2)의 온도를 변하게 할 수 있으며, 각 자기열 엘레먼트들(2)에서 히팅 사이클 및 쿨링 사이클을 교호적으로 생성시킬 수 있다. 상기 열 발생기(1)에는 열전달 유체가 함유되어 있는데, 이 열전달 유체는 순환시키는 수단(4)을 통해 상기 열 모듈(10) 내부를 이동하게끔 되어 있어, 연속적인 히팅 사이클 및 쿨링 사이클 중에 자기열 엘레먼트들(2)에 의해 생산된 칼로리들 및 프리거리들을 수집하고, 이들을 제각기 열 발생기(1)의 핫 및 콜드 단부들에 위치한 핫 교환 챔버(5) 및 콜드 교환 챔버(6)에 저장할 수 있다. 상기 교환 챔버들(5, 6) 각각은, 상기 열 발생기(1)에서 생산된 칼로리들 및 프리거리들을 활용하도록, 열교환기(도시되지 않음)를 거쳐 외부 서킷과 열을 교환하게 설계되어 있다. 상기 순환시키는 수단(4)은 열전달 유체를 반대되는 두 방향으로 동시에 순환시키게끔 자기장의 변동에 동기화되어 있어서, 열전달 유체의 제1 부분은 히팅 사이클하의 자기열 엘레먼트들(2)을 통해 핫 교환 챔버(5) 쪽으로 순환하고, 열전달 유체의 제2 부분은 쿨링 사이클하의 자기열 엘레먼트들(2)을 통해 콜드 교환 챔버(5) 쪽으로 순환할 수 있고, 이와 반대로 이루어질 수 있다.

도시된 예에서, 자기열 엘레먼트들(2)은 자기열 재료로부터 절삭, 기계가공 및/또는 성형된 부분 실린더형 단면들로 구성되어 있으며, 상호보완 형상의 하우징(complementary shaped housing)(21)을 지닌 고정 지지부(fixed support)(20) 내에 배치되어 있다. 상기 자기열 엘레먼트들(2)의 형상은 제한적인 것이 아니라 여타 임의의 삼차원 형상으로 변화될 수 있다. 자기열 재료란 부분적 또는 전체적으로, 가돌리늄(gadolinium, Ge), 예컨대 실리콘(Si),게르마늄(Ge)을 포함하는 가돌리늄 합금, 예컨대 철(Fe), 마그네슘(Mg), 인(P)을 포함하는 망간 합금, 란탄늄(lanthanum) 합금, 니켈 합금, 여타 동등의 재질 또는 자화가능한 합금 등과 같은 자기열 물질, 또는 여러가지 자기열 물질들의 조합으로, 소결 또는 다공성의 분말, 입자, 고형블록(solid block)의 형태로 만들어진 재료를 의미한다. 이들 자기열 재료들 중에서 무엇을 선택할 것인가는 요구되는 온도 범위 및 희망하는 히팅 및 쿨링 성능에 따라 정해진다. 이들 자기열 엘레먼트들(2)에는 열전달 유체가 스며들 수 있어서, 이머징 유체 통로들(emerging fluid passages)이 포함되는데, 상기 이머징 유체 통로들은, 다공성 재료의 미세구멍, 홈이 있는 판들을 중첩 조립함으로써 생기거나 또는 고형블록을 기계가공한 소형 또는 초소형 채널들(mini- or micro-channels), 및 여타의 유사 엘레먼트들에 의해 형성될 수 있다.

열전달 유체의 순환시키는 수단(4)은 하나 이상의 세트, 바람직하게는 두 세트의 N 개의 피스톤들(40)을 포함하는데, 상기 피스톤 각각은 자기열 엘레먼트(2)의 축을 따라 대립하여 배치되고, 구동 메카니즘(7)에 의해 중심축 A에 평행하게 왕복운동을 하게 되어, 상기 엘레먼트가 히팅 사이클 또는 쿨링 사이클에 속하는 지에 따라 정해지는 방향으로 상기 모듈 내에 함유된 열전달 유체를 상기 엘레먼트를 거쳐 순환시킬 수 있게 된다. 이리하여 각 자기열 엘레먼트(2)는 두 개의 피스톤들(40)에 연계되는데, 상기 피스톤들(40)은 상기 엘레먼트(2)의 축을 따라 반대되는 단부에 정렬되어 서로 반대방향으로 구동된다. 열전달 유체가 교환 챔버(5, 6)로부터 다른 교환 챔버(6, 5)로 순환하도록, 자켓(jacket)(42)은, 열 모듈(10)의 내부 볼륨과 피스톤들(40)의 하우징(housing)(41)을 연결하는 개구부들(openings)(43)을 포함하고 있다. 도시된 바와 같은 원형 구조의 열 발생기(1)에서, 상기 피스톤들(40)은 중심축 A 둘레의 원에 인접하여 환형의 구조를 이루고 있다. 선형의 열 발생기 경우에는, 상기 피스톤들이 나란히 배치될 것이다. 이들 피스톤들(40)은 실린더형 부품들로 되어 있으며, 자켓(42) 내에 배치된 상호보완 형상의 하우징(41) 내에 가이드(guide) 된다. 여타의 피스톤 형상도 가능할 것이며, 수압의 손실이 최소화되게끔 결정될 수 있다. 자켓(42)은 고정 부품으로서 적합한 조립 수단을 사용하여 자기열 엘레먼트들(2)의 지지부(support)(20) 상에 설치된다. 상기 지지부(20) 및 자켓(42)은 단일 부품으로 형성될 수도 있다. 이들 부품들은 합성물질 등의 단열 재료로 만들어지는 것이 바람직하다.

도시된 예에서, 구동 메카니즘(7)은 하나 이상의, 바람직하게는 두 개의 작동 캠들(actuating cams)(70)을 포함하는데, 상기 작동 캠들(70)은 피스톤들(40)에 연결되어 하나의 작동기(도시되지 않음)에 의해 구동된다. 상기 작동 캠(70) 각각은 대략적인 사인곡선 또는 이와 유사한 형태를 지닌 캠 프로파일(71)을 포함할 수 있는데(도 2 및 도 3), 이것의 진폭(amplitude)이 피스톤(40)의 스트로크(stroke)를 결정해주며, 이것의 사인곡선 위상은 전반적으로 자기열 엘레먼트들(2)의 히팅 사이클 및 쿨링 사이클에 해당하게 된다. 상기 캠 프로파일(71)은 각 피스톤(40)의 그루브(groove) 내부에 위치하는 핵심적인 리브(rib)를 형성하여, 이들 부품들간의 결합을 확실하게 해준다. 도시된 바와 같은 원형 구조의 열 발생기(1)에서, 상기 작동 캠들(70)들은 환형으로 되어 있으며, 전기 모터 또는 여타의 동등한 작동기에 의해 중심축 A 를 중심으로 연속적 또는 비연속적으로 회전하게 된다. 선형의 열 발생기 경우에는, 상기 작동 캠들이 직선형이 되며, 왕복 병진 운동을 하게 된다.

도 8을 자세히 살펴보면, 자기 장치(3)는, 자기열 엘레먼트들(2)에 근접하여 자화 존들(magnetized zones) ZA 및 비자화 존들(non magnetized zones) ZN 으로 형성된 자기 배열(30)을 포함하고 있다. 자화 존 ZA 및 비자화 존 ZN 의 각 쌍은, 전반적으로 캠 프로파일(71)의 사인곡선에 해당하는 거리에 대해 연장되어 있으며, 자화 존 ZA 은 히팅 사이클을 발생시키고 비자화 존 ZN 은 쿨링 사이클을 발생시킨다. 도시된 예에서, 자화 존 ZA 는 적어도 두 개의 반대 극성을 지닌 영구자석들(32)을 포함하는데, 상기 영구자석들(32)은 투자율(magnetic permeability)이 높은 코어(core)(33) 상에 조립되어 자기열 엘레먼트들(2)을 향해 자속(magnetic flux)을 집중시킬 수 있다. 분명히 여타의 다른 구조 및 배치도 가능하다. 도시된 예 및 원형 구조의 열 발생기에서, 자기 배열(30)은 실린더형으로 되어 있으며, 열 발생기(1) 내부에 설치되어 전기 모터 또는 여타의 동등한 작동기에 의해 중심축 A 를 중심으로 연속적 또는 비연속적으로 회전하게 된다. 본 예에서는, 자기배열(30)이 네 쌍의 자화 존 ZA 및 비자화 존 ZN 들을 포함하고 있으며, 각 쌍은 90 °의 부채꼴을 차지하고 있다. 이에 상응하여, 작동 캠(70)의 캠 프로파일(71)은, 동일한 각도의 부채꼴에 대해 각기 연장하는 네 개의 사인곡선들을 포함한다. 도면에 도시된 캠 프로파일(71)에는 도식을 단순화하기 위해 두 개의 사인곡선만이 보여지고 있다. 또한 자기 장치(3)는, 자기 배열(30)과 대립하여, 이 예에서는 열 발생기(1)의 외측에 배치된 자기장 밀폐 장치(field closing device)(31)를 포함하고 있어, 자화 존 ZA 에 의해 발생되어 자기열 엘레먼트들(2)을 통과하는 자속을 밀폐시켜준다. 선형의 열 발생기 경우에는, 자기 장치(3)가 직선형이 되며, 왕복 병진 운동을 하게 된다.

본 예에서, 열 발생기(1)의 가동부들(moving parts)은 중심축 A 에 대해 동심을 이루고, 동일한 내측의 중앙 작동기 또는 여타 동등한 수단에 의해 구동될 수 있다. 직경이 작은 열 발생기의 경우에는 상기의 구성과 반대로, 작동 캠들(70) 및 자기 배열(30)을 자기열 엘레먼트들(2)의 외측에 위치시키고 가동부들을 외측에서 구동할 수 있다. 또한, 열적 및 수력학적 관성을 보상하기 위해, 자기 배열(30)의 운동에 대해 피스톤들(40)의 운동에 편차를 줄 수도 있다.

열 발생기(1)의 작동은, 자기열 엘레먼트들(2)이 자기장에 놓여있는 지의 여부에 따라 열모듈(10) 내부의 열전달 유체가 동시에 두 반대방향으로 자기열 엘레먼트들(2)을 통해 핫 교환 챔버(5) 및 콜드 교환 챔버(6) 사이를 교호적으로 움직이도록, 자기 배열(30) 및 작동 캠들(70)의 운동을 동시적이며 동기적으로 제어하는 데 있다. 같은 열 모듈(10) 내부의 열전달 유체가 교호적으로 움직임으로써, 열 발생기의 단부들에 있는 핫(5) 및 콜드(6) 교환 챔버들 사이의 온도 구배를 증가시키는 것이 가능하다. 이들 교환 챔버들(5, 6)은, 열 발생기에 의해 생산된 칼로리들 및 프리거리들이 전도(conduction)에 의해 또는 열교환기(도시되지 않음)를 통해 외부 서킷들(난방, 냉방, 템퍼링 등)에 전달될 수 있도록 설계된다. 도시되지 않은 다른 실시예에서, 핫 교환 챔버 및 콜드 교환 챔버는, 해당 교환 챔버 내부의 온도가 소정의 온도에 도달한 후에만 열 교환이 일어나게 하는 장치가 장착된 외부 서킷에 각각 연결된다. 상기 장치는 열 감응식이나 제어식 스톱 밸브가 될 수 있다. 이러한 장치로 인해, 열 발생기가 일단 소정의 안정 상태에 도달한 후에만 열 교환이 가능하므로, 열 발생기의 성능이 보다 신속하게 이루어질 수 있다.

여기서 사용되는 열전달 유체는 액체인 것이 바람직하다. 열전달 유체는 최적의 열 교환이 일어나도록 필요한 온도 범위에 적합하게 된 화학 성분을 가진다. 상기 유체는 액체, 기체 또는 이상성(diphase)이 될 수도 있으며, 만일 액체를 사용하는 경우, 영상의 온도에선 예컨대 순수 물(pure water)이 사용될 수 있고, 영하의 온도에선 예컨대 글리콜 기반의 제품 또는 브라인(brine) 등의 부동액이 첨가된 물이 사용될 수 있다.

본 발명의 최적의 실시예

도 9 내지 도 11에는 이전에 기술된 바와 유사한, 여러 개의 열 모듈들(10, 11, 12, 13)을 포함하는 열 발생기(100)가 도시되어 있는데, 상기 열 모듈들은 동일하거나 동일하지 않으면서 적층되어 여러 개의 열 스테이지들(thermal stages)을 형성한다. 상기 열 모듈들(10, 11, 12, 13)은 중간 챔버들(8)을 이용하여 쌍으로 조립된다. 이러한 단계적 구성에서, 두 개의 인접한 열 모듈들(10 내지 13)의 피스톤들은 위에서 언급한 도면에 도시된 바와 같이 공유될 수 있어서, 열 발생기의 사이즈 및 가격을 단순화시키고 줄일 수 있다. 따라서, 작동 캠들(70) 또한 공유되어 중간 챔버들(8) 내에 위치할 수 있다. 이들 중간 챔버들(8)은 도면에 도시된 바와 같이 서로 연결될 수도 있으며 아니면 밀봉될 수도 있다. 중간 챔버들(8)이 서로 연결된 경우에는, 이들 중간 챔버들(8)로 인해, 열전달 유체가 하나의 열 모듈에서 피스톤들(40)의 자켓(42)에 형성된 개구부들(43)을 통해 다른 열 모듈로 통과하면서, 두 개의 연속된 열 스테이지들 사이에서 혼합되는 것이 가능해진다. 이러한 열적 혼합으로 인해, 하나의 스테이지에서 다른 스테이지로의 온도 구배가 커지며, 따라서 열 발생기의 단부들에 놓인 핫(5) 및 콜드(6) 교환 챔버들 사이의 온도 구배가 커진다.

도시되지 않은 또 다른 실시예에서, 이들 중간 챔버들(8)은 밀봉되어 있다. 이런 경우, 열전달 유체는 단지 자기열 엘레먼트들(2)을 거쳐서 하나의 열 스테이지에서 다른 열 스테이지로 통과하게 된다.

물론, 도시된 단계적 구성은 선형 구조를 지닌 열 모듈들(10 내지 13)로 확장될 수 있다. 열 모듈들(10 내지 13)의 수량은 제한적인 것이 아니라 대상 적용 분야에 따라 결정된다.

산업적 이용 가능성

본 발명에 따른 열 발생기(1, 100)를 형성하는 모든 부품들은 복제가능한 산업 프로세스를 사용하여 대량 생산이 가능하다. 자기열 엘레먼트들(2) 및 자기 장치들(3)을 제외하곤 모든 부품들이 단열 재료들로부터 성형, 사출 또는 유사한 방법에 의해 생산될 수 있다. 열 모듈들(10 내지 13) 및 교환 챔버들(5, 6)은, 공지된 임의의 적합한 고정수단 및 임의의 적합한 밀봉수단을 이용하여 조립될 수 있다. 열 발생기(1, 100)의 제조사는, 표준화가 가능한 콤팩트하고 적층가능한 열 모듈들(10 내지 13)을 이용하여, 산업용 및 가전용의 광범위한 분야에서 효과적인 비용으로 공간을 적게 차지하면서, 이런 유형의 열 발생기의 열적 가치 측면에서 타의 추종을 불허하는 성능을 지닌 열 발생기를 생산할 수 있을 것이다.

본 발명은 상기 기술된 실시예들에 국한되는 것이 아니라, 당업자들에 의해 개조 및 변형될 수 있으며, 보호범위는 청구항들에 의해 규정된다.

Claims

열 발생기(1, 100)로서, 상기 열 발생기(1, 100)는,
자기열 엘레먼트들(magnetocaloric elements)(2); 상기 자기열 엘레먼트들(2)이 교호적으로(alternatively) 자기장 변동(variation in magnetic field)의 영향을 받게 하여 각각의 자기열 엘레먼트(2)에 히팅 사이클(heating cycle) 및 쿨링 사이클(cooling cycle)이 교호적으로 생성되도록 배치된 자기 장치들(magnetic devices)(3); 히팅 사이클 및 쿨링 사이클 동안에 상기 자기열 엘레먼트들(2)에 의해 생산된 칼로리들(calories) 또는 프리거리들(frigories)을 수집하도록 배치된 하나 이상의 열전달 유체(heat transfer fluid); 상기 열 발생기(1, 100)의 핫(hot) 및 콜드(cold) 단부들에 제각기 배치된 하나 이상의 핫 교환 챔버(hot exchange chamber)(5) 및 콜드 교환 챔버(cold exchange chamber)(6); 상기 자기열 엘레먼트들(2) 및 상기 교환 챔버들(5, 6) 사이에서 열전달 유체를 순환시키는 수단(means of circulation)(4);을 포함하며, 상기 열 발생기(heat generator)(1, 100)에는, 인접하여 배치된 N 개의 자기열 엘레먼트들(2) 한 세트 이상을 포함하는 하나 이상의 열 모듈(thermal module)(10-13)이 포함되어 있으며, 상기 순환시키는 수단(4)은 자기장의 변동에 동기화되고, 상기 열 모듈(10-13) 내부의 열전달 유체를 교호적으로, 핫 교환 챔버(5) 및 콜드 교환 챔버(6) 사이에서 상기 자기열 엘레먼트들(2)을 통해 동시에 두 개의 반대방향으로 순환시키게끔 배치되어 있어서, 열전달 유체의 제1 부분(first fraction)은, 히팅 사이클 하의 자기열 엘레먼트들(2)을 통해 핫 교환 챔버(5) 쪽으로 순환하고, 열전달 유체의 제2 부분은, 쿨링 사이클 하의 자기열 엘레먼트들(2)을 통해 콜드 교환 챔버(6) 쪽으로 순환하고, 그리고 이와 반대로 순환하는, 열 발생기(1, 100)에 있어서,
상기 순환시키는 수단(4)은, 왕복운동으로 상기 열전달 유체를 핫 교환 챔버(5) 및 콜드 교환 챔버(6) 사이에서 이동시키게끔 배치되어 있으며; N 개의 피스톤들(40) 한 세트 이상을 포함하고 있으며; 상기 N 개의 피스톤들(40)은, 상기 자기열 엘레먼트들(2)과 대립하여 위치하고, 하나의 작동기(actuator)에 의해 구동되는 하나 이상의 작동 캠(actuating cam)(70)을 포함하는 구동 메카니즘(driving mechanism)(7)에 의해 왕복 병진 운동(reciprocating translation movement)을 하게 되는 것;을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제1 항에 있어서,
상기 작동 캠(70)은, 사인곡선 형상을 지닌 캠 프로파일(cam profile)(71)을 포함하며, 상기 사인곡선의 진폭은 상기 피스톤들(40)의 스트로크(stroke)를 결정하고, 상기 사인곡선의 위상은 상기 자기열 엘레먼트들(2)의 히팅 사이클 및 쿨링 사이클에 대응하는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제1항에 있어서,
상기 순환시키는 수단(4)은, 상기 자기열 엘레먼트들(2)의 각 측부에 위치하는 N 개의 피스톤들(40) 두 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제1항에 있어서,
상기 자기열 엘레먼트들(2)은, 미세구멍들(pores), 채널들(channels), 그루브들(grooves) 또는 이들 엘레먼트들의 조합으로 형성된 이머징 유체 통로들(emerging fluid passages)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제1 항에 있어서,
상기 자기 장치들(3)은, 상기 자기열 엘레먼트들(2)에 근접하여 자화 존들(magnetized zones)(ZA) 및 비자화 존들(non magnetized zones)(ZN)이 교호적으로 형성된 하나 이상의 자기 배열(magnetic arrangement)(30)을 포함하며, 상기 자기 배열(30)은 작동기와 결합되어, 상기 자기열 엘레먼트들(2)에 대해 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제5 항에 있어서,
상기 자기 장치들(3)은, 상기 자화 존들(ZA)에 의해 생성되어 상기 자기열 엘레먼트들(2)을 통과하는 자속(magnetic flux)을 밀폐시키기 위해, 상기 자기 배열(30)과 대립하여 위치한 자기장 밀폐 장치(field closing device)(31)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제5 항에 있어서,
자화 존들(ZA) 및 비자화 존들(ZN)에 의해 형성된 각 쌍(each couple)은, 상기 캠 프로파일(71)의 사인곡선에 해당하는 거리에 대해 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제5 항에 있어서,
각 자화 존(ZA)들은, 높은 투자율(magnetic permeability)을 지닌 코어(core)(33) 상에 조립된 서로 반대 극성인 둘 이상의 영구자석들(32)을 포함하여, 상기 영구자석들(32)의 자속을 상기 자기열 엘레먼트들(2)을 향해 집중시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제5 항에 있어서,
상기 열 모듈(10-13)은 원형의 구조를 지니며, 상기 원형의 구조 내에는 자기열 엘레먼트들(2)이 중심축(A) 둘레의 원(circle)에 배열되어 있으며, 작동 캠(70) 및 자기 배열(30)은 상기 중심축(A)에 대해 동심을 이루면서 상기 중심축(A) 둘레를 회전하게 되는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제5 항에 있어서,
상기 열 모듈은 선형의 구조(linear structure)를 지니며, 상기 선형의 구조 내에는 자기열 엘레먼트들이 나란히 정렬되어 있으며, 작동 캠 및 자기 배열은 상기 자기열 엘레먼트들을 따라 왕복 병진식으로 구동되는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제1항에 있어서,
상기 열 발생기는 X 개의 열 스테이지들(thermal stages)을 지닌 열 발생기를 형성하게끔 적층된(stacked) X 개의 열 모듈들(10-13)을 포함하며, 상기 열 모듈들(10-13)은 중간 챔버들(intermediate chambers)(8)을 이용하여 쌍으로(in pairs) 조립될 수 있는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제11 항에 있어서,
상기 중간 챔버들(8)은 상기 피스톤들(40)과 소통하며, 두 개의 연이은 열 모듈들(10-13) 사이에 열전달 유체 혼합 챔버들(heat transfer fluid mixing chambers)을 형성하는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제11 항에 있어서,
상기 중간 챔버들(8)은 상기 피스톤들(40)과 소통하지 않으며, 열전달 유체는 상기 자기열 엘레먼트들(2)을 거쳐 하나의 열 모듈(10-13)에서 다른 열 모듈로 통과하는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제11 항에 있어서,
두 개의 연이은 열 모듈들(10-13)의 피스톤들(40)은 공유되는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).
제1항에 있어서,
상기 핫 교환 챔버 및 콜드 교환 챔버는 각각, 해당되는 교환 챔버 내부의 온도가 소정의 온도에 도달한 후에만 열 교환을 가능케 하는 장치가 장착된 외부 서킷(external circuit)에 연결되는 것을 특징으로 하는 열 발생기(1, 100).