KR101634293B1 - Magnetic cooling apparatus using mce material and imce material - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자기열량효과(MCE : Magnetocaloric Effect)를 갖는 소재와 역자기열량효과(IMCE : Inverse Magnetocaloric Effect)를 갖는 소재를 이용하여 냉각 기능을 제공할 수 있는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a MCE material capable of providing a cooling function using a material having a magnetocaloric effect (MCE) and a material having an IMCE (Inverse Magnetocaloric Effect) .
잘 알려진 바와 같이, 자기냉각기술은 자성재료의 자기열량효과(MCE)를 이용하여 물체를 냉각(냉동)하는 기술로서, 강자성 물질에 외부에서 강한 자기장을 인가하면 자성 물질의 온도는 증가(발열)하고, 자기장을 차단하면 강자성 물질의 온도는 내려가는 특성을 이용한다.As is well known, the self-cooling technique is a technique of cooling (freezing) an object using the magnetic calorie effect (MCE) of a magnetic material. When a strong magnetic field is externally applied to the ferromagnetic material, And when the magnetic field is cut off, the temperature of the ferromagnetic material is lowered.
종래의 냉각 방식은 가스의 압축과 팽창에 의한 발열과 냉각 싸이클을 이용하여 물체를 냉각하지만, 자기냉각기술은 자성체의 자기열량효과(MCE)를 이용하는 것으로, 자기변태온도(Curie temperature) 부근의 자성체에 자기장을 인가하면, 자성체 내부에서 마그네틱 모멘트의 정렬이 일어나서 마그네틱 엔트로피를 저하시키며, 총엔트로피 보존법칙에 의해 래티스 엔트로피는 증가하게 된다.The conventional cooling method uses an exothermic and cooling cycle due to compression and expansion of a gas to cool the object. The self-cooling technique uses a magnetic calorie effect (MCE) of the magnetic material, The magnetic moments are aligned within the magnetic body to lower the magnetic entropy, and the total entropy conservation law increases the lattice entropy.
이러한 래티스 엔트로피의 증가는 래티스 바이브레이션의 증가로 이어지고, 이로 인하여 자기장 내의 자성체 온도는 상승하게 되는데, 상온 자기냉각의 경우 물을 순환시켜 열을 방출시키고, 이에 따라 자성체의 온도는 하강하며, 자기장 인가를 중지시키면 자성체 내부의 마그네틱 모멘트가 무질서하게 배열되면서 온도가 하강하게 된다. 이 때 냉장고나 냉동고의 내부 물체(열부하)와 연결하면 물체의 온도는 하강하고, 자성체 온도는 열을 흡수하여 상승하게 되는 것이다.This increase in lattice entropy leads to an increase in the lattice vibration, which causes the temperature of the magnetic body in the magnetic field to rise. At room temperature self-cooling, the water is circulated to release heat and the temperature of the magnetic body falls, When stopped, the magnetic moment inside the magnetic body is disorderly arranged and the temperature is lowered. At this time, when the object is connected to the object (heat load) of the refrigerator or the freezer, the temperature of the object is lowered and the temperature of the magnetic material is absorbed by the heat.
상술한 바와 같은 원리를 이용한 종래의 자기 냉각 장치는 자성 물질을 포함하는 하나 이상의 자기 재생기가 자석의 내부와 외부를 왕복 운동하거나 회전 운동함으로써, 자기 재생기에 포함된 자성 물질의 온도 변화를 유발하는 방식으로 냉각 기능을 제공하고 있다.The conventional self-cooling apparatus using the above-described principle is a system in which at least one magnetic regenerator including a magnetic material reciprocates or rotates inside and outside of a magnet to cause a temperature change of a magnetic material included in the magnetic regenerator To provide a cooling function.
하지만, 종래의 자기 냉각 장치에서는 자성 물질을 포함하는 자기 재생기의 발열을 제거하기 위해 액체 헬륨, 액체 질소, 물 등과 같은 냉매를 이용하여 냉각시키는 압축기, 기화기 등을 구비해야만 하기 때문에, 다양한 제품(예를 들면, 생활가전, 제한된 공간내의 냉각장치, 자동차, 비행기, 우주선 등)에 적용하기 위해 자기 냉각 장치의 크기를 소형화시키기 어렵고, 냉매 사용으로 인한 부식이 발생하는 문제점이 있다.However, in the conventional self-cooling device, it is necessary to provide a compressor, a vaporizer, and the like for cooling by using a coolant such as liquid helium, liquid nitrogen, water or the like in order to remove the heat generated by the magnetic regenerator including the magnetic material. For example, it is difficult to miniaturize the size of the self-cooling device for application to household appliances, cooling devices in a limited space, automobiles, airplanes, spacecraft, etc., and corrosion due to the use of refrigerant occurs.
본 발명은 자기열량효과(MCE)를 갖는 소재를 포함하는 MCE 유닛과 역자기열량효과(IMCE)를 갖는 소재를 포함하는 IMCE 유닛을 이용하여 냉각 기능을 제공함으로써, 장치를 소형화시킬 수 있고, 냉매를 사용하지 않기 때문에 부식 문제점을 미연에 해결할 수 있는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치를 제공하고자 한다.The present invention provides a cooling function using an MCE unit including a material having a magnetic calorimetric effect (MCE) and an IMCE unit including a material having an inverse magnetic calorimetric effect (IMCE), thereby miniaturizing the apparatus, It is desirable to provide a self cooling device using MCE material and IMCE material that can solve the corrosion problem in advance.
또한, 본 발명은 자기장을 인가할 경우 IMCE 유닛을 통해 냉각하며, 자기장 인가를 중단할 경우 IMCE 유닛에 MCE 유닛을 접촉시켜 발열되는 IMCE 유닛을 냉각시킴으로써, 냉각 싸이클을 효율적으로 운용할 수 있는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치를 제공하고자 한다.Further, according to the present invention, when the magnetic field is applied, the MCE unit is cooled through the IMCE unit, and when the magnetic field application is stopped, the IMCE unit is brought into contact with the IMCE unit to cool the IMCE unit, And a self cooling device using IMCE material.
한편, 본 발명은 자기장의 인가를 중단할 경우 MCE 유닛을 통해 냉각하며, 자기장을 인가할 경우 MCE 유닛에 IMCE 유닛을 접촉시켜 발열되는 MCE 유닛을 냉각시킴으로써, 냉각 싸이클을 효율적으로 운용할 수 있는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치를 제공하고자 한다.In the meantime, according to the present invention, when application of a magnetic field is interrupted, the MCE unit is cooled through the MCE unit. When the magnetic field is applied, the MCE unit is brought into contact with the IMCE unit to cool the MCE unit, And a self-cooling device using IMCE material.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the embodiments of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description .
본 발명의 실시예에 따르면, 자기장을 인가하거나 상기 자기장의 인가를 중단하는 자기장 유닛과, IMCE(Inverse-Magnetocaloric Effect) 소재를 포함하는 IMCE 유닛과, MCE(Magnetocaloric Effect) 소재를 포함하는 MCE 유닛과, 상기 자기장이 인가될 경우 또는 상기 자기장의 인가가 중단될 경우에 따라 상기 MCE 유닛 및 IMCE 유닛을 접촉 또는 분리시키는 구동 유닛을 포함하는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치가 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a magnetic field sensor comprising: a magnetic field unit for applying a magnetic field or stopping application of a magnetic field; an IMCE unit including an IMCE (Inverse-Magnetocaloric Effect) material; an MCE unit including a magnetocaloric effect And a driving unit for contacting or disconnecting the MCE unit and the IMCE unit when the magnetic field is applied or when the application of the magnetic field is interrupted, may be provided.
본 발명은 자기열량효과(MCE)를 갖는 소재를 포함하는 MCE 유닛과 역자기열량효과(IMCE)를 갖는 소재를 포함하는 IMCE 유닛을 이용하여 냉각 기능을 제공함으로써, 장치를 소형화시킬 수 있고, 냉매를 사용하지 않기 때문에 부식 문제점을 미연에 해결할 수 있다.The present invention provides a cooling function using an MCE unit including a material having a magnetic calorimetric effect (MCE) and an IMCE unit including a material having an inverse magnetic calorimetric effect (IMCE), thereby miniaturizing the apparatus, The corrosion problem can be solved in advance.
또한, 본 발명은 IMCE 유닛을 통해 주 냉각 기능을 제공하는 자기 냉각 장치에서는 자기장을 인가할 경우 IMCE 유닛을 통해 냉각하며, 자기장 인가를 중단할 경우 IMCE 유닛에 MCE 유닛을 접촉시켜 발열되는 IMCE 유닛을 냉각시킴으로써, 냉각 싸이클을 효율적으로 운용할 수 있다.In addition, the present invention provides a magnetic cooling device that provides a main cooling function through an IMCE unit. The IMCE unit cools the IMCE unit when the magnetic field is applied and the IMCE unit is brought into contact with the IMCE unit when the magnetic field application is stopped. By cooling, the cooling cycle can be efficiently operated.
한편, 본 발명은 MCE 유닛을 통해 주 냉각 기능을 제공하는 자기 냉각 장치에서는 자기장의 인가를 중단할 경우 MCE 유닛을 통해 냉각하며, 자기장을 인가할 경우 MCE 유닛에 IMCE 유닛을 접촉시켜 발열되는 MCE 유닛을 냉각시킴으로써, 냉각 싸이클을 효율적으로 운용할 수 있다.In the magnetic refrigerator that provides the main cooling function through the MCE unit, the MCE unit is cooled through the MCE unit when the application of the magnetic field is interrupted. When the MCE unit is brought into contact with the MCE unit, The cooling cycle can be efficiently operated.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치를 예시한 도면이고,
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재의 특성을 설명하기 위한 도면이며,
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치의 동작 과정을 예시한 도면이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치의 냉각 유닛을 예시한 도면이며,
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치의 동작 과정을 예시한 도면이고,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치의 냉각 유닛을 예시한 도면이다.1 is a view illustrating a self-cooling device using an MCE material and an IMCE material according to a first embodiment of the present invention,
2A to 2D are views for explaining the characteristics of the MCE material and IMCE material according to the first embodiment of the present invention,
FIGS. 3A to 3E are views illustrating an operation process of the MCE material and the magnetic cooling device using the IMCE material according to the first embodiment of the present invention,
4A and 4B are views illustrating a cooling unit of a MCE material and a self-cooling device using IMCE material according to a second embodiment of the present invention,
FIGS. 5A to 5E are views illustrating an operation process of the MCE material and the self-cooling device using the IMCE material according to the third embodiment of the present invention,
6A and 6B are views illustrating a cooling unit of a MCE material and a self cooling device using IMCE material according to a fourth embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of embodiments of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The following terms are defined in consideration of the functions in the embodiments of the present invention, which may vary depending on the intention of the user, the intention or the custom of the operator. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치를 예시한 도면이고, 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재의 특성을 설명하기 위한 도면이며, 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치의 동작 과정을 예시한 도면이다.FIG. 1 is a view illustrating a self-cooling device using an MCE material and an IMCE material according to a first embodiment of the present invention. FIGS. 2a to 2d illustrate the MCE material and IMCE material characteristics according to the first embodiment of the present invention FIGS. 3A to 3E are views illustrating the operation of the MCE material and the magnetic cooling device using the IMCE material according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도 1, 도 2a 내지 도 2d, 도 3a 내지 도 3e를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치는 자기장 유닛(110), IMCE 유닛(120), MCE 유닛(130), 구동 유닛(140), 냉각 유닛(150) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1, 2A to 2D, and 3A to 3E, the magnetic refrigerator using the MCE material and the IMCE material according to the first embodiment of the present invention includes a
자기장 유닛(110)은 영구자석, 전자석, 초전도자석 등을 포함하여 자기장을 인가하거나 자기장의 인가를 중단하는 것으로, IMCE 유닛(120) 및 MCE 유닛(130)을 감싸는 등의 형태로 구비되어 IMCE 유닛(120) 및 MCE 유닛(130)에 자기장을 발생 및 인가할 수 있다.The
이러한 자기장 유닛(110)은 영구자석을 이용하는 경우 N극 자석과 S극 자석의 사이에 후술하는 IMCE 유닛(120) 및 MCE 유닛(130)이 위치할 경우 IMCE 유닛(120)은 냉각됨과 동시에 MCE 유닛(130)은 발열되고, N극 자석과 S극 자석의 사이를 벗어나는 위치로 IMCE 유닛(120) 및 MCE 유닛(130)이 이동할 경우 IMCE 유닛(120)은 발열됨과 동시에 MCE 유닛(130)은 냉각될 수 있다.When the
또한, 자기장 유닛(110)은 전류를 인가하여 자기장을 발생시키는 전자석, 초전도자석 등을 이용하는 경우 IMCE 유닛(120) 및 MCE 유닛(130)을 구비된 하우징의 외부에 감긴 코일에 전류를 인가할 경우 IMCE 유닛(120)은 냉각됨과 동시에 MCE 유닛(130)은 발열되고, 상술한 바와 같은 하우징의 외부에 감긴 코일에 인가하는 전류를 차단할 경우 IMCE 유닛(120)은 발열됨과 동시에 MCE 유닛(130)은 냉각될 수 있다.When a current is applied to a coil wound on the outside of a housing including the
IMCE 유닛(120)은 자기장이 인가될 경우 냉각되고, 자기장의 인가가 중단될 경우 발열되는 IMCE(Inverse-Magnetocaloric Effect) 소재를 포함하는 것으로, 자기장 유닛(110)으로부터 자기장이 인가될 경우 접촉되는 냉각 유닛(150)의 열전달 유체(예를 들면, 물, 알코올, 에틸렌글리콜, 액체금속 및 헬륨 중에서 선택된 적어도 하나를 포함함)를 냉각시키고, 자기장의 인가가 중단될 경우 자체적으로 발열될 수 있다.The IMCE
이러한 IMCE 소재는 도 2a에 도시한 바와 같이 a 상태(ΔT=0)에서 자기장을 인가(Bon)할 경우 냉각되어 온도가 하강한 b 상태(ΔT=-)가 되고, 냉각 장치(refrigerator)의 열부하(Heat load)에 따라 점차 온도가 상승하여 c 상태(ΔT0)가 되며, 자기장의 인가가 중단(Boff)될 경우 발열되어 온도가 상승한 d 상태(ΔT=+)가 되고, 열을 배출(Expelled heat)함에 따라 온도가 하강하여 a 상태가 되는 것과 같이, IMCE 소재는 자기장의 인가 및 자기장 인가 중단에 따라 냉각 및 발열이 순환되는 특성을 가지고 있다.As shown in FIG. 2A, when the magnetic field is applied (B on ) in a state (? T = 0), the IMCE material is cooled down to a b state (? T = -) As the heat load increases, the temperature gradually rises and the c-state (ΔT 0), and when the application of the magnetic field is interrupted (B off ), a d state (ΔT = +) in which the heat is generated and the temperature rises becomes such that the temperature falls as the heat is discharged , The IMCE material has the characteristic that the cooling and the heating are circulated in accordance with the application of the magnetic field and the stop of the magnetic field application.
여기에서, IMCE 소재는 Ni-Mn계 합금, La계 합금 등을 포함하며, Ni-Mn계 합금은 Ni-Mn-Ga계 합금, Ni-Mn-In-Co계 합금 등을 포함하고, La계 합금은 La-Fe-Si-H계 합금 등을 포함할 수 있는데, 이러한 IMCE 소재는 진공주조법, 분말야금법 등을 이용하여 제조될 수 있으며, 분말야금법에 의해 제조된 IMCE 소재는 열전달 유체의 흐름에 대해 침투성이 우수한 공극을 가지고 있고, 열의 흡수 및 방출 특성이 우수한 것으로 알려져 있다.Here, the IMCE material includes a Ni-Mn based alloy, an La based alloy, and the like. The Ni-Mn based alloy includes a Ni-Mn-Ga based alloy, a Ni-Mn-In-Co based alloy, The IMCE material may be prepared by vacuum casting, powder metallurgy or the like, and the IMCE material produced by the powder metallurgy method may be used as a heat transfer fluid It is known that it has pores with excellent permeability to flow and excellent heat absorption and release characteristics.
이러한 IMCE 유닛(120)은 IMCE 벌크 소재 또는 분말이 하우징 내부에 충진된 형태로 구비될 수 있는데, 자기장 유닛(110)으로부터 자기장이 인가되면 냉각되어 후술하는 냉각 유닛(150) 내부를 순환하는 열전달 유체와의 열교환을 통해 열전달 유체를 냉각시킬 수 있다.The IMCE
또한, 자기장 유닛(110)으로부터 인가되는 자기장이 중단되면 발열되는데, 이러한 발열은 후술하는 MCE 유닛(130)이 냉각된 상태로 근접 이동되어 냉각시킬 수 있어 효율적으로 제거할 수 있다.In addition, when the magnetic field applied from the
MCE 유닛(130)은 자기장이 인가될 경우 발열되고, 자기장의 인가가 중단될 경우 냉각되는 MCE(Magnetocaloric Effect) 소재를 포함하는 것으로, 자기장 유닛(110)으로부터 자기장이 인가될 경우 IMCE 유닛(120)과 분리된 상태를 유지하면서 자체적으로 발열되고, 자기장의 인가가 중단될 경우 구동 유닛(140)을 통해 발열되는 IMCE 유닛(120)에 근접시켜 IMCE 유닛(120)을 냉각시킬 수 있다.The
이러한 MCE 소재는 도 2b에 도시한 바와 같이 a 상태(ΔT=0)에서 자기장을 인가(Bon)할 경우 발열되어 온도가 상승한 b 상태(ΔT=+)가 되고, 열을 배출(Expelled heat)함에 따라 온도가 하강하여 c 상태(ΔT0)가 되며, 자기장의 인가가 중단(Boff)될 경우 냉각되어 온도가 하강한 d 상태(ΔT=-)가 되고, 냉각 장치(refrigerator)의 열부하(Heat load)에 따라 점차 온도가 상승하여 a 상태가 되는 것과 같이, MCE 소재는 자기장의 인가 및 자기장 인가 중단에 따라 발열 및 냉각이 순환되는 특성을 가지고 있다.As shown in FIG. 2B, when the magnetic field is applied (B on ) in a state (? T = 0), the MCE material is heated to a b state (? T = +) As the temperature decreases, the c-state (ΔT 0), and when the application of the magnetic field is interrupted (B off ), the cooling state becomes a d state (? T = -) in which the temperature decreases and the temperature gradually rises in accordance with the heat load of the refrigerator a state, the MCE material is characterized in that heat generation and cooling are circulated in accordance with application of a magnetic field and interruption of magnetic field application.
여기에서, MCE 소재는 Gd계 합금을 포함하며, Gd계 합금은 Gd-Si계 합금, Gd-Si-Ge계 합금 등을 포함할 수 있는데, 이러한 MCE 소재는 진공주조법, 분말야금법 등을 이용하여 제조될 수 있으며, 분말야금법에 의해 제조된 MCE 소재는 열전달 유체의 흐름에 대해 침투성이 우수한 공극을 가지고 있고, 열의 흡수 및 방출 특성이 우수한 것으로 알려져 있다.Here, the MCE material includes a Gd-based alloy, and the Gd-based alloy may include a Gd-Si-based alloy and a Gd-Si-Ge-based alloy. Such a MCE material may be obtained by vacuum casting, powder metallurgy And the MCE material produced by the powder metallurgy method has a pore having excellent permeability to the flow of the heat transfer fluid and is known to have excellent heat absorption and discharge characteristics.
이러한 MCE 유닛(130)은 MCE 벌크 소재 또는 분말이 하우징 내부에 충진된 형태로 구비될 수 있는데, 자기장 유닛(110)으로부터 자기장이 인가되면 발열되는데, IMCE 유닛(120)과 열교환하는 열전달 유체와 일정 거리 이격된 위치에 위치하고 있기 때문에, 열전달 유체의 냉각에 미치는 영향이 미미하여 본 발명의 실시예에 따른 자기 냉각 장치의 냉각 기능에 영향을 주지 않는다.The
또한, MCE 유닛(130)은 자기장 유닛(110)으로부터 인가되는 자기장이 중단되면 냉각되는데, MCE 유닛(130)이 냉각된 상태에서 IMCE 유닛(120)에 접촉되어 IMCE 유닛(120)을 쉽게 냉각시킬 수 있기 때문에, 종래와 같은 방식의 냉각에서 필요한 다른 구성(예를 들면, 압축기, 기화기 등)이 없어도 IMCE 유닛(120)의 발열을 효과적으로 제거할 수 있다.The
즉, 도 2c 및 도 2d에 도시한 바와 같이 IMCE 유닛(120)이 주 냉각 기능을 제공하는 제 1 실시예에 따른 자기 냉각 장치에서는 접촉 상태(Bonding), 자기장이 인가(Bon)되면 분리 상태(Debonding), 자기장 인가가 중단(Boff)되면 접촉 상태(Bonding)를 반복 순환함으로써, 자기장 인가가 중단될 때 IMCE 유닛(120)에서 발생하는 발열 문제를 함께 구성되는 MCE 유닛(130)의 접촉을 통해 쉽게 해결할 수 있다.In other words, in the self-cooling device according to the first embodiment of
구동 유닛(140)은 리니어 모터 등을 포함하여 직선으로 이동시키는 것으로, MCE 유닛(130)의 측면에 결합되어 자기장이 인가될 경우 IMCE 유닛(120) 및 MCE 유닛(130)이 분리된 상태로 유지시키고, 자기장의 인가가 중단될 경우 IMCE 유닛(120)에 MCE 유닛(130)이 접촉되도록 이동시키며, 다시 자기장이 인가될 경우 IMCE 유닛(120) 및 MCE 유닛(130)이 분리되도록 이동시킬 수 있다.The driving
상술한 바와 같은 구동 유닛(140)은 직선 이동, 회전 이동 등에 따라 종래에 다양한 구성 및 형태에 대해 개시되어 있으므로 그 구체적인 설명은 생략하기로 한다.The driving
냉각 유닛(150)은 IMCE 유닛(120)이 직접 냉각 수요처와 연결되어 냉각시키거나, 혹은 IMCE 유닛(120)이 열전달 유체가 순환되는 순환튜브를 통해 냉각 수요처와 연결되어 열전달 유체를 통해 냉각 수요처를 냉각시킬 수 있다.The
예를 들면, 냉각 유닛(150)은 물, 알코올, 에틸렌글리콜, 액체금속 및 헬륨 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 열전달 유체를 이용할 수 있으며, IMCE 유닛(120)을 통해 냉각된 열전달 유체가 냉각 수요처로 이동하여 냉각시키는 경우 자기장 인가를 통해 냉각된 IMCE 유닛(120)과 열교환되어 열전달 유체가 냉각되며, 냉각된 열전달 유체는 냉각 수요처로 이동되어 냉각 기능을 제공한 후, IMCE 유닛(120) 방향으로 순환(순환 방향 : 화살표 방향)될 수 있다.For example, the
이러한 냉각 유닛(150)은 열전달 유체가 순환되는 순환튜브가 IMCE 유닛(120)과 냉각 수요처 사이를 연결하도록 구비될 수 있는데, 순환튜브는 IMCE 유닛(120)을 관통하는 형태, IMCE 유닛(120)의 측면에 접촉되는 형태 등으로 다양하게 형성될 수 있다.This
여기에서, 순환튜브는 스프링 형태로 하여 도시되었으나, 이는 이해를 돕기 위해 스프링 형태로 도시한 것이며, 이에 한정되는 것이 아님은 물론이다.Here, the circulation tube is shown in the form of a spring, which is shown in a spring form for the sake of understanding, but needless to say, it is not limited thereto.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치의 동작 과정에 대해 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 설명하면, 자기장 유닛(110)으로부터 자기장이 인가(B on)되면, 도 3a에 도시한 바와 같이 IMCE 유닛(120)의 내부에 충진된 IMCE 물질이 냉각되고, 냉각 유닛(150) 내부에 순환(순환 방향 : 화살표 방향)되는 열전달 유체를 냉각시킬 수 있다.3A to 3E, when the magnetic field is applied from the
이 때, MCE 유닛(130)의 내부에 충진된 MCE 물질은 발열되지만, 열전달 유체가 순환되는 순환튜브와 일정 거리 이격된 위치에 위치하기 때문에, 열전달 유체의 냉각에 미치는 영향은 미미한 정도임을 알 수 있다.At this time, although the MCE material filled in the
그리고, 자기장 유닛(110)으로부터 인가되는 자기장이 중단(B off)되면, 도 3b에 도시한 바와 같이 IMCE 유닛(120)은 발열되고, MCE 유닛(130)은 냉각된다.Then, when the magnetic field applied from the
이 때, 도 3c에 도시한 바와 같이 구동 유닛(140)을 통해 MCE 유닛(130)을 직선으로 이동시켜, IMCE 유닛(120)에 근접 위치시킬 경우 발열된 IMCE 유닛(120)을 냉각된 MCE 유닛(130)을 통해 냉각시킴으로써, IMCE 유닛(120)의 발열을 MCE 유닛(130)을 통해 효율적으로 냉각시킬 수 있다.3C, when the
다음에, 도 3d에 도시한 바와 같이 자기장이 다시 인가되면, IMCE 유닛(120)은 냉각되고, MCE 유닛(130)은 발열되는데, 이 때 도 3e에 도시한 바와 같이 MCE 유닛(130)이 냉각 유닛(150)의 열전달 유체에 영향을 미치지 않도록 구동 유닛(140)을 통해 MCE 유닛(130)을 IMCE 유닛(120)과 일정거리 이격되도록 직선 이동시킬 수 있다.Next, when the magnetic field is applied again as shown in FIG. 3D, the
따라서, 본 발명은 자기열량효과(MCE)를 갖는 소재를 포함하는 MCE 유닛과 역자기열량효과(IMCE)를 갖는 소재를 포함하는 IMCE 유닛을 이용하여 냉각 기능을 제공함으로써, 장치를 소형화시킬 수 있고, 냉매를 사용하지 않기 때문에 부식 문제점을 미연에 해결할 수 있다.Therefore, the present invention can provide a cooling function by using an MCE unit including a material having a magnetic calorimetric effect (MCE) and an IMCE unit including a material having an inverse magnetic calorimetric effect (IMCE), thereby miniaturizing the apparatus , Since it does not use refrigerant, corrosion problems can be solved in advance.
또한, 본 발명은 IMCE 유닛을 통해 주 냉각 기능을 제공하는 자기 냉각 장치에서는 자기장을 인가할 경우 IMCE 유닛을 통해 냉각하며, 자기장 인가를 중단할 경우 IMCE 유닛에 MCE 유닛을 접촉시켜 발열되는 IMCE 유닛을 냉각시킴으로써, 냉각 싸이클을 효율적으로 운용할 수 있다.In addition, the present invention provides a magnetic cooling device that provides a main cooling function through an IMCE unit. The IMCE unit cools the IMCE unit when the magnetic field is applied and the IMCE unit is brought into contact with the IMCE unit when the magnetic field application is stopped. By cooling, the cooling cycle can be efficiently operated.
한편, 상술한 바와 같은 본 발명의 제 1 실시예에서는 냉각 유닛(150)이 IMCE 유닛(120)의 냉각에 따라 열전달 유체를 냉각시키는 것으로 하여 설명하였으나, 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이 제 2 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치에서는 자기장의 인가가 중단될 경우 IMCE 유닛(120)에 MCE 유닛(130)이 근접 이동하는데, 그 측부 전체에 냉각 유닛(150′)의 열전달 유체가 순환되는 순환튜브가 형성될 경우 자기장이 인가되면, IMCE 유닛(120)을 통해 열전달 유체를 냉각시키고, 자기장의 인가가 중단되면, MCE 유닛(130)이 IMCE 유닛(120)의 발열을 제거하기 위해 냉각하면서 냉각 유닛(150′) 내부에 순환되는 열전달 유체와의 열교환을 통해 냉각시킴으로써, 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.In the first embodiment of the present invention, the
다음에, MCE 소재를 포함하는 MCE 유닛이 주 냉각 기능을 제공하는 제 3 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치에 대해 설명한다.Next, the MCE material according to the third embodiment, in which the MCE unit including the MCE material provides the main cooling function, and the self cooling device using the IMCE material will be described.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치의 동작 과정을 예시한 도면이다. 여기에서, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 각 구성부와 동일한 기능을 수행하므로, 그 동작 과정의 차이점에 대해서 이하에서 설명한다.FIGS. 5A through 5E are views illustrating an operation process of the MCE material and the self-cooling device using the IMCE material according to the third embodiment of the present invention. Here, the MCE material according to the third embodiment of the present invention and the self cooling device using the IMCE material perform the same functions as the respective constituent parts according to the first embodiment of the present invention. .
도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 자기장 유닛(210)으로부터 자기장이 인가(B on)되면, 도 5a에 도시한 바와 같이 MCE 유닛(230)의 내부에 충진된 MCE 물질이 발열되고, IMCE 유닛(220)의 내부에 충진된 IMCE 물질은 냉각될 수 있다.5A to 5E, when a magnetic field is applied from the
이때, 도 5b에 도시한 바와 같이 구동 유닛(240)을 통해 IMCE 유닛(220)을 직선으로 이동시켜, MCE 유닛(230)에 접촉되도록 근접 위치시킬 경우 발열된 MCE 유닛(230)을 냉각된 IMCE 유닛(220)을 통해 냉각시킴으로써, MCE 유닛(230)의 발열을 IMCE 유닛(220)을 통해 효율적으로 냉각시킬 수 있다.5B, when the
그리고, 자기장 유닛(210)으로부터 인가되는 자기장이 중단(B off)되면, 도 5c에 도시한 바와 같이 IMCE 유닛(220)은 발열되고, MCE 유닛(230)은 냉각된다.Then, when the magnetic field applied from the
이 때, 도 5d에 도시한 바와 같이 IMCE 유닛(220)이 냉각 유닛(250)의 열전달 유체에 영향을 미치지 않도록 구동 유닛(240)을 통해 IMCE 유닛(220)을 MCE 유닛(230)과 일정거리 이격되도록 직선 이동시킬 수 있다.5D, the
여기에서, IMCE 유닛(220)의 내부에 충진된 IMCE 물질은 발열되지만, 열전달 유체가 순환되는 순환튜브와 일정 거리 이격된 위치에 위치하기 때문에, 열전달 유체의 냉각에 미치는 영향은 미미한 정도임을 알 수 있다.Here, since the IMCE material filled in the
다음에, 도 5e에 도시한 바와 같이 자기장이 다시 인가되면, 도 5a의 상태와 동일하게 IMCE 유닛(220)은 냉각되고, MCE 유닛(230)은 발열되는데, 도 5b에 도시한 바와 같이 구동 유닛(240)을 통해 IMCE 유닛(220)을 직선으로 이동시켜, MCE 유닛(230)에 접촉되도록 근접 위치시킬 경우 발열된 MCE 유닛(230)을 냉각된 IMCE 유닛(220)을 통해 냉각시킴으로써, MCE 유닛(230)의 발열을 IMCE 유닛(220)을 통해 효율적으로 냉각시킬 수 있다.Next, when the magnetic field is applied again as shown in FIG. 5E, the
따라서, 본 발명은 자기열량효과(MCE)를 갖는 소재를 포함하는 MCE 유닛과 역자기열량효과(IMCE)를 갖는 소재를 포함하는 IMCE 유닛을 이용하여 냉각 기능을 제공함으로써, 장치를 소형화시킬 수 있고, 냉매를 사용하지 않기 때문에 부식 문제점을 미연에 해결할 수 있다.Therefore, the present invention can provide a cooling function by using an MCE unit including a material having a magnetic calorimetric effect (MCE) and an IMCE unit including a material having an inverse magnetic calorimetric effect (IMCE), thereby miniaturizing the apparatus , Since it does not use refrigerant, corrosion problems can be solved in advance.
또한, 본 발명은 MCE 유닛을 통해 주 냉각 기능을 제공하는 자기 냉각 장치에서는 자기장의 인가를 중단할 경우 MCE 유닛을 통해 냉각하며, 자기장을 인가할 경우 MCE 유닛에 IMCE 유닛을 접촉시켜 발열되는 MCE 유닛을 냉각시킴으로써, 냉각 싸이클을 효율적으로 운용할 수 있다.Further, in the magnetic refrigerator that provides the main cooling function through the MCE unit, the MCE unit cools the MCE unit when the application of the magnetic field is interrupted. When the magnetic field is applied, the MCE unit contacts the IMCE unit, The cooling cycle can be efficiently operated.
한편, 상술한 바와 같은 본 발명의 제 3 실시예에서는 냉각 유닛(250)이 MCE 유닛(230)의 냉각에 따라 열전달 유체를 냉각시키는 것으로 하여 설명하였으나, 도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이 제 4 실시예에 따른 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치에서는 자기장의 인가가 중단될 경우 MCE 유닛(230)에 IMCE 유닛(220)이 근접 이동하는데, 그 측부 전체에 냉각 유닛(250′)의 열전달 유체가 순환되는 순환튜브가 형성될 경우 자기장의 인가가 중단되면, MCE 유닛(220)을 통해 열전달 유체를 냉각시키고, 자기장이 인가되면, IMCE 유닛(220)이 MCE 유닛(230)의 발열을 제거하기 위해 냉각하면서 냉각 유닛(250′) 내부에 순환되는 열전달 유체와의 열교환을 통해 냉각시킴으로써, 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.In the third embodiment of the present invention, the
아울러, 본 발명의 제 1 실시예 내지 제 4 실시예에서는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치가 하부로부터 상부까지 자석, MCE 유닛, IMCE 유닛, 자석과 같은 순서로 배열된 형태로 설명하였으나, 원통의 최내각에서 최외각으로 자석, MCE 유닛, IMCE 유닛, 자석과 같은 순서로 배열된 원형의 형태로 하는 자기 냉각 장치를 제공할 수 있음은 물론이며, 그에 대응하여 다양한 모터, 기어, 순환튜브 등을 갖는 구동 유닛, 냉각 유닛 등의 구성도 적절하게 변형될 수 있음은 물론이다.In the first to fourth embodiments of the present invention, the magnetic cooling device using the MCE material and the IMCE material is arranged from the bottom to the top in the order of the magnet, the MCE unit, the IMCE unit, and the magnet. It is needless to say that it is possible to provide a self cooling device having a circular shape arranged in the order of magnets, MCE units, IMCE units, and magnets in the outermost circumferential direction of the cylinder, and correspondingly, various motors, gears, It is needless to say that the configuration of the drive unit, the cooling unit,
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be readily apparent that such substitutions, modifications, and alterations are possible.
110, 210 : 자기장 유닛 120, 220 : IMCE 유닛
130, 230 : MCE 유닛 140, 240 : 구동 유닛
150, 250 : 냉각 유닛110, 210:
130, 230:
150, 250: cooling unit
Claims (12)
자기장 인가 시 발열되고 자기장 인가 중단 시 냉각되는 MCE(Magnetocaloric Effect) 소재를 포함하는 MCE 유닛과,
상기 IMCE 유닛 및 MCE 유닛에 자기장을 인가하거나 상기 자기장의 인가를 중단하는 자기장 유닛과,
상기 IMCE 유닛 또는 MCE 유닛에 결합되어 상기 자기장이 인가될 경우 또는 상기 자기장의 인가가 중단될 경우에 따라 상기 MCE 유닛 및 IMCE 유닛을 접촉 또는 분리시키는 구동 유닛을 포함하며,
상기 MCE 유닛과 상기 IMCE 유닛이 접촉할 경우 상호 열교환되는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치.
An IMCE unit including an IMCE (Inverse-Magnetocaloric Effect) material cooled upon application of a magnetic field and extinguished upon application of a magnetic field,
An MCE unit including an MCE (Magnetocaloric Effect) material that generates heat upon application of a magnetic field and is cooled upon termination of magnetic field application,
A magnetic field unit for applying a magnetic field to the IMCE unit and the MCE unit or stopping application of the magnetic field,
And a drive unit coupled to the IMCE unit or the MCE unit for contacting or disconnecting the MCE unit and the IMCE unit when the magnetic field is applied or when the application of the magnetic field is interrupted,
Wherein the MCE unit and the IMCE unit are mutually heat-exchanged when they are in contact with each other.
상기 자기 냉각 장치는,
상기 IMCE 유닛이 냉각 수요처와 연결되어 냉각시키는 냉각 유닛
을 더 포함하는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치.
The method according to claim 1,
The self-
The IMCE unit is connected to a cooling demand source to cool the cooling unit
A magnetic cooling device using an MCE material and an IMCE material.
상기 자기 냉각 장치는,
상기 IMCE 유닛이 냉각 수요처와 연결되어 열전달 유체를 통해 상기 냉각 수요처를 냉각시키는 냉각 유닛
을 더 포함하는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치.
The method according to claim 1,
The self-
Wherein the IMCE unit is connected to a cooling demander to cool the cooling demander through a heat transfer fluid,
A magnetic cooling device using an MCE material and an IMCE material.
상기 MCE 유닛은, 상기 IMCE 유닛만을 냉각시키거나, 혹은 상기 IMCE 유닛을 냉각시키면서 상기 열전달 유체를 함께 냉각시키는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치.
The method of claim 3,
Wherein the MCE unit cools the IMCE unit only or cools the IMCE unit while cooling the IMCE unit together.
상기 자기 냉각 장치는,
상기 MCE 유닛이 냉각 수요처와 연결되어 냉각시키는 냉각 유닛
을 더 포함하는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치.
The method according to claim 1,
The self-
A cooling unit connected to the MCE unit for cooling the cooling unit;
A magnetic cooling device using an MCE material and an IMCE material.
상기 자기 냉각 장치는,
상기 MCE 유닛이 냉각 수요처와 연결되어 열전달 유체를 통해 상기 냉각 수요처를 냉각시키는 냉각 유닛
을 더 포함하는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치.
The method according to claim 1,
The self-
The MCE unit is connected to a cooling demand source to cool the cooling demand through a heat transfer fluid.
A magnetic cooling device using an MCE material and an IMCE material.
상기 IMCE 유닛은, 상기 MCE 유닛만을 냉각시키거나, 혹은 상기 MCE 유닛을 냉각시키면서 상기 열전달 유체를 함께 냉각시키는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the IMCE unit cools the MCE unit only or cools the MCE unit while cooling the heat transfer fluid together.
상기 자기장 유닛은, 영구자석, 전자석 및 초전도 자석 중 어느 하나를 포함하여 상기 IMCE 유닛 및 MCE 유닛에 상기 자기장을 발생 및 인가하는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치.
8. The method according to any one of claims 1 to 7,
Wherein the magnetic field unit includes any one of a permanent magnet, an electromagnet, and a superconducting magnet to generate and apply the magnetic field to the IMCE unit and the MCE unit.
상기 MCE 소재는, Gd계 합금을 포함하는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치.
8. The method according to any one of claims 1 to 7,
The MCE material is a self cooling device using an MCE material including a Gd alloy and an IMCE material.
상기 Gd계 합금은, Gd-Si계 합금 또는 Gd-Si-Ge계 합금을 포함하는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치.
10. The method of claim 9,
The Gd-based alloy is a self-cooling device using an MCE material and IMCE material including a Gd-Si-based alloy or a Gd-Si-Ge-based alloy.
상기 IMCE 소재는, Ni-Mn계 합금 또는 La계 합금을 포함하는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치.
8. The method according to any one of claims 1 to 7,
The IMCE material is a self cooling device using an MCE material and an IMCE material including a Ni-Mn based alloy or an La based alloy.
상기 Ni-Mn계 합금은, Ni-Mn-Ga계 합금 또는 Ni-Mn-In-Co계 합금을 포함하고,
상기 La계 합금은, La-Fe-Si-H계 합금을 포함하는 MCE 소재 및 IMCE 소재를 이용한 자기 냉각 장치.12. The method of claim 11,
Wherein the Ni-Mn alloy includes a Ni-Mn-Ga alloy or a Ni-Mn-In-Co alloy,
The La-based alloy is a self-cooling device using an MCE material and an IMCE material including an La-Fe-Si-H alloy.
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