KR101688244B1

KR101688244B1 - 자기열량 열 발생기

Info

Publication number: KR101688244B1
Application number: KR1020117019092A
Authority: KR
Inventors: 쟝-클로드 헤이트젤르; 크리스티앙 뮐러
Original assignee: 쿨테크 어플리케이션즈 에스.에이.에스.
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2016-12-20
Also published as: US9249999B2; PL2399088T3; ES2619553T3; WO2010094855A1; CN102317710A; MX2011008508A; FR2942304B1; CN102317710B; KR20110127151A; FR2942304A1; BRPI1007284A2; HK1164987A1; JP2012518150A; JP6086340B2; US20110289938A1; EP2399088A1; EP2399088B1

Abstract

본 발명은 자기열량 열 발생기(magnetocaloric heat generator)(10)에 관한 것으로서, 본 열 발생기(10)는, 제1 단부(first end)(3) 및 제2 단부(second end)(4)를 포함하는 적어도 하나의 자기열량 요소(magnetocaloric element)(2)와; 자기열량 요소(2)를 가변적인 자기장(variable magnetic field)의 영향을 받게 하여, 상기 자기열량 요소(2) 내에 히팅 사이클(heating cycle) 및 쿨링 사이클(cooing cycle)을 번갈아 일으키게 하는 자기 장치(magnetic arrangement)와; 자기장의 변화와 동기화하여 열 전달 유체를 번갈아 가며 상기 자기열량 요소(2)를 통과시켜 제1 단부(3) 및 제2 단부(4)를 향해 그리고 그 역으로 순환시키는, 열 전달 유체수단과; 상기 자기열량 요소(2)에 의해 생산된 써멀 에너지(thermal energy)를 상기 자기열량 요소(2)의 외부에 있는 장치와 교환하는 적어도 하나의 교환 수단(15)을 포함한다.
본 열 발생기는, 상기 교환 수단이, 히팅 또는 쿨링 사이클 중에 단부들(3, 4) 중 하나를 통해 상기 자기열량 요소(2)에 들어오는 열 전달 유체에 의해 한 방향으로 횡단 되게끔, 그리고 다른 쿨링 사이클 또는 히팅 사이클 중에 같은 단부(3, 4)를 통해 상기 자기열량 요소(2)를 빠져나가는 열 전달 유체에 의해 반대 방향으로 횡단 되게끔, 상기 열 발생기 내에 통합되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

자기열량 열 발생기 {MAGNETOCALORIC HEAT GENERATOR}

본 발명은 자기열량 열 발생기(magnetocaloric heat generator)에 관한 것으로서, 상기 자기열량 열 발생기는, 제1 단부(first end) 및 제2 단부(second end)를 포함하는 적어도 하나의 자기열량 요소(magnetocaloric element)와; 각 자기열량 요소를 가변적인 자기장(variable magnetic field)의 영향을 받게 하여, 각각의 자기열량 요소 내에 히팅 사이클(heating cycle) 및 쿨링 사이클(cooing cycle)을 번갈아 일으키게 하는 자기 장치(magnetic arrangement)와; 자기장의 변화와 동기화하여 열 전달 유체를 번갈아 가며 상기 자기열량 요소를 통과시켜 제1 단부를 향해 그리고 제2 단부를 향해, 그리고 그 역으로 순환시키는 순환 수단(means for circulating)과; 상기 자기열량 요소에 의해 생산된 써멀 에너지(thermal energy)를, 상기 자기열량 요소에 대해 외부에 있는 장치와 교환하는 적어도 하나의 교환 수단(at least one means of exchange);을 포함하며, 상기 교환 수단은, 히팅 사이클 또는 쿨링 사이클 중에 단부들 중 하나를 통해 자기열량 요소에 들어오는 열 전달 유체에 의해 한 방향으로 횡단 되게끔, 그리고 다른 쿨링 사이클 또는 히팅 사이클 중에 같은 단부를 통해 자기열량 요소를 빠져나가는 열 전달 유체에 의해 반대 방향으로 횡단 되게끔, 상기 열 발생기 내에 통합되며, 상기 교환 수단은 자기열량 요소의 단부들 중 적어도 하나와 병치되고(juxtaposed), 적어도, 열 전달 유체를 순환시키는 순환 수단 및 상기 자기열량 요소의 단부들 중 하나 사이에 배치된다.

자기 냉동(magnetic refrigeration) 기술은 20년 넘게 전부터 알려져 왔으며, 생태학 및 지속 가능한 개발의 측면에서 이것이 제공하는 장점들은 널리 인식되고 있다. 유용한 칼로리 아웃풋(calorific output) 및 효율 측면에서 그 한계점들도 또한 잘 알려져 있다. 따라서, 이 분야에서 이루어진 모든 연구들은, 자화동력(magnetization power), 자기열량 요소의 성능, 열 전달 유체 및 자기열량 요소들 사이의 열교환 면(heat exchange surface), 열교환기들의 성능 등과 같은 다양한 파라미터들(parameters)을 조절함으로써, 이러한 발생기(generator)의 성능들을 향상시키고자 하는 동향을 보이고 있다.

열교환기들의 목적은, 상기 열 발생기에 의해 발생한 써멀 에너지(thermal energy)를 상기 열 발생기 외부에 있는 하나 또는 몇몇의(several) 애플리케이션(application)들에 전달하거나 교환하는 것이다. 이들 외부 애플리케이션들은, 예컨대 열 발생기를 둘러싸고 있는 공기, 써멀 디바이스(thermal device) 또는 인클로저(enclosure)일 수 있다.

공지된 자기열량 열 발생기는, 전적으로 열 전달 유체에 의해 번갈아 횡단 되는(가로질러지는) 자기열량 요소들로 이루어진다.

공지된 제1 형태에서, 자기열량 요소의 제1 단부(first end)와 소통하는 제1 셀(first cell)과 자기열량 요소의 제2 단부와 소통하는 제2 셀 사이를 열 전달 유체가 번갈아가며 순환하고, 상기 셀들 각각에 열 교환기가 열적으로(thermally) 연결된다.

제2 형태에서는, 수력적 루프(hydraulic loop)에 통합된 열 교환기에 각각의 셀이 유체적으로 소통한다.

그러나 이러한 기존의 형태들은 전체적으로 만족스럽지 못하다. 사실상으로, 열 교환 중에 특히 열교환기의 써멀 저항(thermal resistances) 및 누출로 인해, 열 교환기들 및 써멀 모듈들(thermal modules)의 출구 사이에서 써멀 에너지 일부의 손실이 발생한다.

유럽 특허공보 EP 1,818,628에는, 열 교환기가, 자기열량 재료를 지닌 열 요소(thermal element)의 콜드(cold) 및 핫(hot) 단부들에 직접적으로 연결되고, 각각의 자화(magnetisation) 및 소자(demagnetisation) 사이클에서 열 전달 유체에 의해 횡단 되는(가로질러지는) 것으로 보이는, 자기열량 열 발생기가 기술되어 있다. 기술 발표 "미래의 냉장고(Fridge of the future)"(Mechanical Engineering, ASME. New York, US, vol.116, no.12, 1994년12월1일, 페이지 76-80, XP000486088-ISSN: 0025-6501- 페이지 3)에서도, 열 교환기가 열 요소의 콜드 및 핫 단부들에 직접적으로 연결된 것으로 보이는 냉장 시스템이 기술되어 있다. 하지만 이들 공표물에는, 하나 또는 몇몇의 외부 서킷들(external circuits)과 열적 교환을 수행하는 수단에 대해서는 아무런 시사도 없었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점들에 대해 산업적 해결책을 제시함으로써 이러한 단점들을 극복하는 것이다. 이러한 목적으로, 본 발명에 따른 자기열량 열 발생기는, 열 손실(thermal loss)을 최대한으로 줄이기 위해 열 발생기 및 외부 애플리케이션(들) 사이의 써멀 에너지 전달을 최적화하는 방식으로 설계된다.

이러한 목적을 위해, 본 발명은 전제부에서 규명된 종류의 자기열량 열 발생기에 관한 것으로서, 상기 교환 수단이 적어도 하나의 열 전달 구역(heat transfer zone)과, 상기 외부 디바이스에 속하는 외부 유체가 순환하는 적어도 하나의 도관(conduit)으로 이루어진 적어도 하나의 서킷을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 열 전달 구역에는 열 전달 유체를 위한 관통 통로들 또는 구멍들(through passages or pores)이 제공되는 것이 유리하다.

상기 도관은 원통형(cylindrical) 형상일 수 있으며, 장방형 형상도 가능하며, 또는 상기 도관은, 상기 교환 수단 내에 형성된 구멍들(pores)로 이루어질 수도 있다. 또한 상기 도관은 그루브들(grooves)에 의해 형성될 수도 있다.

상기 열 발생기는 특별히 적어도 두 개의 서킷들(circuits)을 포함할 수 있으며, 상기 서킷들 내에는 상기 외부 장치의 외부 유체(external fluid)가 역방향 흐름(contraflow)으로 교호적으로(alternately) 순환한다.

변형으로서, 상기 교환 수단은 외부 환경과의 교환을 위해 그의 주변 상에 핀들(fins)을 포함할 수 있다.

마지막으로, 상기 자기열량 요소는 적어도 두 개의 자기열량 재료들(at least two magnetocaloric materials)을 포함할 수 있으며, 상기 적어도 두 개의 자기열량 재료들은 연속적으로 설치되어, 열 전달 유체를 위한 공동의 순환 수단(common circulation means)을 통해 서로 유체적으로 연결된(in fluidic connection) 적어도 두 개의 연속적 써멀 스테이지들(at least two consecutive thermal stages)을 형성할 수 있다.

이러한 구성에서, 두 개의 인접한 재료들은 둘씩, 동일한 히팅 또는 쿨링 사이클에 또는 상이한 히팅 및 쿨링 사이클에 놓일 수 있다. 첫 번째 경우, 열 전달 유체는 두 개의 인접한 재료들을 각 사이클에서 같은 방향으로 횡단하며, 두 번째 경우, 열 전달 유체는 두 개의 인접한 재료들을 반대 방향의 순환으로 횡단한다.

또한 열적 손실을 최소화하기 위해, 상기 교환 수단은 단열 재료의 층(a layer of heat insulating material)으로 덮여질 수 있다.

첨부된 도면을 참조하여 몇 가지 실시 예들에 대한 설명으로부터 본 발명과 그 장점들에 대해 더 잘 알 수 있을 것이며, 이들은 예시적인 것으로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 1a 및 1b는 본 발명에 따른 열 발생기의 개략적인 도면이다.
도 1c는 도 1a의 "A" 부분에 대한 상세 확대도다.
도 2는 도 1a 및 1b에 도시된 열 발생기에 대한 분해 사시도다.
도 3a는 다른 실시 예에 따라, 도 2의 열 발생기의 교환 수단에 대한 정면도다.
도 3b는 도 3a의 선 "B-B"에 따른 상세 확대도다.
도 4a 및 4b는 도 1a 및 1b의 열 발생기와 유사한 도면으로, 실시 예의 변형에 따른 열 발생기를 보여주는 도면이다.

도시된 실시 예들에서 동일한 부분 또는 요소에 대해서는 동일한 참조부호로 표기하였다.

열 발생기(10, 20, 30)는 하나 또는 몇몇 개의(several) 자기열량 요소(2)들을 포함한다. 도시된 자기열량 요소(2)들은 하나의 자기열량 재료를 포함하고 있지만, 본 발명이 이 숫자에 국한되는 것은 아니다. 실제로, 하나의 자기열량 요소(2)는, 상이한 퀴리 온도들(Curie temperatures)을 지니고 높은 자기열량 효과(magnetocaloric effect)를 생산하는 몇몇의 자기열량 재료들을 포함할 수 있어서, 이들을 병치함(juxtaposition)으로써, 자기열량 요소(2)의 단부(3) 및 단부(4) 사이에 높은 온도 구배(temperature gradient)를 이룰 수 있으며, 따라서 열 발생기(10, 20, 30)에서 더 높은 효율을 얻을 수 있다. 이러한 형태로써, 상기 발생기의 작동 또는 사용 범주에 해당할 수 있는 넓은 범위의 온도들을 커버(cover)할 수 있게 된다.

각 자기열량 요소(2)는 두 개의 대향하는 단부들, 예컨대 콜드 제1 단부(3) 및 핫 제2 단부(4)를 포함한다. 이 자기열량 요소(2)의 두 개의 대향하는 단부들(3 및 4) 사이에 온도 구배를 이루고 유지하기 위해서, 열 전달 유체가 자기장의 변화와 연계하여 이 자기열량 요소(2)를 관통하여 단부들(3 및 4)의 한 단부 또는 다른 단부 쪽으로 순환하게 된다.

이들 단부들(3, 4) 각각은, 열 전달 유체를 함유하고 있는 셀(13, 14)과 유체적으로 연결되어 있으며, 도시된 실시 예에서와 같이, 열 전달 유체를 순환시키는 수단이 피스톤(7) 형태로 통합될 수 있다. 물론 본 발명이 이러한 타입의 열 전달 유체 순환 수단에 국한되는 것은 아니며, 펌프 등과 같은 여타의 유사한 수단들도 고려될 수 있다.

도시된 열 발생기(10, 20)에서, 특히 도 1a 및 1b의 열 발생기에서, 열 전달 유체는 자기열량 요소(2)를 통과하여, 히팅 사이클(heating cycle) 중에는 제2 단부(4)-핫 단부로 간주될 수 있음- 쪽으로 순환하고(도 1a 참조), 쿨링 사이클(cooling cycle) 중에는 제1 단부(3)-콜드 단부로 간주될 수 있음- 쪽으로 순환한다(도 1b 참조). 자기열량 요소(2) 내 두 단부들(3 및 4) 사이에는 이러한 식으로 온도 구배가 생성된다.

열 전달 유체로 열 전달을 촉진하기 위해, 자기열량 요소(2)들을 구성하는 자기열량 재료들은 다공성(porous)으로 될 수 있어, 이들 구멍들이 개방된 유체 통로들(open fluid passages)을 형성하도록 할 수 있다. 또한 이들은, 소형 또는 극소형 채널들(mini or micro channels)이 기계가공된 풀 블록(full block) 형태로 만들어질 수도 있으며, 또는 그루브(groove)가 형성된 플레이트들이 중첩되어 그들 사이로 열 전달 유체가 유동할 수 있는, 중첩된 플레이트들의 조립체로 구성될 수도 있다. 또한 이들은 분말 또는 입자들(powder or particles) 형태로 되어 빈 공간들(voids)이 유체의 통로를 형성할 수도 있다. 물론, 열 전달 유체가 자기열량 재료들을 통과하게 할 수 있는 여타의 실시 예도 적합할 수 있다.

자기 장치(magnetic arrangement)(도시되지 않음)는, 순차적으로 자화되는 전자석에 의해 또는 자기장의 변화 생성을 담당하는 여타의 유사 수단에 의해, 모든 자기열량 요소(2)에 대해 상대 운동을 하도록 설치된 영구자석들의 조립체로 구성될 수 있다.

도 1a 및 1b에는, 각각 피스톤(7)의 챔버(chamber)와 자기열량 요소(2)의 각 단부(3, 4) 사이에 장착된 2개의 동일한 열교환기 또는 교환 수단(15)을 포함하는 자기열량 열 발생기(10)가 도시되어 있다. 상기 피스톤(7)은 열 전달 유체를 순환시키는 또는 구동시키는 수단을 형성한다. 상기 교환 수단(15)은 각각 열 전달 구역(thermal transfer zone)(8)을 포함하는데, 이들 열 전달 구역(8)은, 열 전도성(heat conducting) 재료 또는 비전도성 재료로 만들어지고, 열 전달 유체를 위한 관통 통로들(through passages)(9)(도 1c 참조)이 구비되어 있다. 각각의 열 전달 구역(8)은 자기열량 요소(2)의 한 단부(3, 4)에 연속적이어서, 열 전달 유체가 자기열량 요소(2)로 들어갈 때와 자기열량 요소(2)로부터 빠져나올 때, 열 전달 유체가 이들 열 전달 구역(8)을 횡단하게 된다. 이러한 구성으로 인해, 유리하게도 열 전달 유체가 대응하는 자기열량 요소(2)를 통과하여 연이은 왕복운동을 하는 중에 두 번의 열교환 즉 두 배의 열교환을 이룰 수 있게 된다. 이것은 특히, 자기 활성화 및 비활성화(magnetic activation and de-activation) 사이클들이 짧고, 열 전달 유체의 순환 속력이 빠를 때 유리하다. 이러한 구성으로써, 열 전달 유체가 자기열량 요소(2) 내로 재 인입되기 전에 최대의 써멀 에너지가 교환되는 것을 확보할 수 있다. 이리하여 열 발생기(10)에 의해 발생하는 써멀 에너지의 회수가 최적화되고, 사이클 전체 시간에 걸쳐서 써멀 에너지의 회수가 일어난다.

도 1a를 좀 더 상세히 참조하면, 자기열량 요소(2)는 자기장(magnetic field)의 영향을 받고 있으며, 열 전달 유체는 제1 단부(3)(콜드 단부)로부터 제2 단부(4)(핫 단부)로, 도면상의 화살표를 따라 좌측으로부터 우측으로 순환하는데, 열 전달 유체는, 한편으로는 자기열량 요소(2)를 통과하기 전에 제1 단부(3)의 옆에 위치한 교환 수단(15)의 전달 구역(8)을 통과하여 흐르고, 다른 한편으로는 열 전달 유체가, 자기장의 영향을 받고 있는 자기열량 요소(2)를 통과함으로써 가열된 후 자기열량 요소(2)를 빠져나올 때 제2 단부(4)의 옆에 위치한 교환 수단(15)의 전달 구역(8)을 통과하여 흐른다.

이제, 도 1b를 참조하면, 자기열량 요소(2)는 자기장 바깥에 있어서 냉각되고 있으며, 열 전달 유체는 제2 단부(4)로부터 제1 단부(3)로(도면상의 화살표를 따라 우측으로부터 좌측으로) 순환하는데, 열 전달 유체는, 한편으로는 자기열량 요소(2)를 통과하기 전에 제2 단부(4)의 옆에 위치한 교환 수단(15)의 전달 구역(8)을 다시 통과하여 흐르고, 다른 한편으로는 열 전달 유체가, 자기장 바깥에 놓여 있는 자기열량 요소(2)를 통과함으로써 냉각된 후 자기열량 요소(2)를 빠져나올 때 제1 단부(3)의 옆에 위치한 교환 수단(15)의 전달 구역(8)을 통과하여 흐른다.

이리하여, 본 발명에 따른 열 발생기(10)의 자기열량 요소(2)의 각 단부(3 및 4)에서 최대의 써멀 에너지가 회수되거나 교환될 수 있다. 물론, 이것은 도시된 열 발생기들(10, 20, 30) 모두에게 적용되는 것이다. 물론, 전달 구역(8), 더욱 정확하게는 전달 구역(8)의 관통 통로(9)들은, 이들이 관련된 셀(13, 14)에 통합됨으로 인해 열 전달 유체의 헤드 손실(head loss)이 현저하게 증가하지 않게끔 만들어지고 설계된다. 이러한 목적을 위해, 상기 전달 구역(8)의 관통 통로(9)들은, 필요하다면 자기열량 요소(2) 내의 유체 통로들 또는 채널들과 동일한 형태로 되어 이들 유체 통로들 또는 채널들과 정렬될 수 있다.

교환 수단(15)은, 전달 구역(8) 내에서 교환된 써멀 에너지를 외부 장치 또는 외부 애플리케이션으로 전달하게끔 설계된다. 이러한 목적을 위해, 교환 수단(15)은 외부 장치 또는 애플리케이션용으로 의도된 외부 유체(external fluid)의 순환을 위한 서킷(11)을 포함한다. 한편으로, 상기 교환 수단(15)은 열 전달 유체용 관통 통로(9)들에 추가하여, 외부 유체의 통행을 위한 서킷(11)을 형성하는 도관(16)들을 포함한다. 도시된 서킷(11)에는 5개의 도관(16)들이 포함되어 있다. 이들 도관(16)들 내의 유체 순환 방향은 같을 수도 있지만, 관련된 교환 수단(15) 전체에서 균일한 교환이 이루어지도록 하나의 도관으로부터 다른 도관으로 방향을 다르게 하는 것(역방향 흐름 순환(contraflow circulation))이 바람직하다.

물론 본 발명이, 외부 장치 또는 애플리케이션용 유체 서킷(11)을 지닌 이러한 타입의 구성에 국한되는 것은 아니다. 하나의 예로서, 교환 수단(15)이 그 외측 주변 상에 임의의 형상 또는 제원을 가진 핀들(fins)을 포함할 수 있다. 또한, 도시된 열 발생기(10)에서와 같이 외부 유체 서킷(11)이 상기 교환 수단(15)에 통합된 경우에, 상기 서킷(11)은, 하나의 변형으로서 전달 구역(8)의 양측에 위치하는 상호보완적인 도관(16)들을 포함할 수 있다.

도 2에는 도 1a 및 1b에 도시된 열 발생기(10)의 원리에 따라 구현된 열 발생기(20)가 도시되어 있다. 이 열 발생기(20)는 원형의 구조물(circular structure)을 가지는데, 상기 원형의 구조물은, 원형 링(circular ring) 상에 설치된 인접하는 자기열량 요소(2)들을 포함한다. 두 개의 교환 수단(25)들 모두 원형 링 형상을 가지고 열 전도성 재료 또는 비전도성 재료로 만들어지며, 한편으로, 열 전달 유체가 피스톤(7)들의 작동하에 자기열량 요소(2)들을 관통해 흐를 수 있게 하는 관통 통로(9)들을 포함하며, 다른 한편으로, 외부 유체의 순환을 위한 서킷을 포함하고 있다. 이 서킷은 도 2에는 보이지 않는다. 이와 마찬가지로, 소켓들(sockets) 또는 유사한 수단 등의, 이 서킷을 연결하는 수단들도 도 2에 도시되지는 않았다. 이러한 열 발생기(20)의 장점은 이것이 콤팩트(compact) 하다는 점에 있다.

도 3a에는, 도 2의 열 발생기(20) 구성에 사용될 원형 링 형태로 된 교환 수단(45)에 대한 산업적 실시 예의 한 예가 도시되어 있다. 이것은, 열 전달 유체용 관통 통로(9)들이 구비된 링(ring)(40)을 포함하며, 관통 통로(9)들은, 예컨대 헤드 손실 없이 한 측은 각 자기열량 요소(2)와 합치되고, 다른 측은 각 피스톤(7)과 합치되게끔 배치된, 축 방향으로 향하는(axially oriented) 구멍들로 이루어진다, 이 링(40)의 외측 벽(external wall)(41) 및 내측 벽(internal wall)(42)에는 방사상으로 향하는(radially oriented) 그루브(46)들이 포함되어 있으며, 이들 그루브(46)들은 제각기 외측 링(43) 및 내측 링(44)에 의해 막혀져서 외측 서킷(11) 및 내측 서킷(11')의 도관들을 형성하며, 이 도관들 내에는, 발생기(20)에 의해 생산된 써멀 에너지를 유체/유체 교환(fluid/fluid exchange)에 의해 전달하는 외부 유체가 순환한다. 링들(43 및 44)은, 플랜징(flanging), 크림핑(crimping), 주조(casting), 용접 등과 같이, 밀봉된 조립체(sealed assembly)를 얻을 수 있는 적절한 프로세스에 의해 링(40)에 조립된다. 이러한 구성 방식으로써, 낮은 비용으로 쉽게 산업화할 수 있는 장점이 있으며, 매우 넓은 열 교환면을 제공해주고 더욱 일정한 층류(laminar flow)를 가능케 해주는, 외부 유체 순환을 위한 서킷들(11, 11')을 생성한다는 장점이 있다. 게다가, 자기열량 요소(2)와 함께, 교환 수단(45) 양측에 두 개의 평행한 서킷들(11, 11')을 배치함으로써, 몇몇 개의 자기열량 요소(2)들이 병치될 때 균질한 열 전달(homogeneous heat transfer)이 가능해진다. 내부 서킷(11') 내의 유체를, 외부 서킷(11) 내를 순환하는 유체의 방향과 반대 방향으로 순환시킴으로써, 이러한 온도의 균질화가 얻어지고 향상된다. 서킷들(11, 11')을, 평행하게 연결된 몇몇 개의 섹터들(sectors)로 분할함으로써, 열 교환 효율을 더 향상시킬 수 있다.

도 4a 및 4b에는 2개의 자기열량 재료들(21 및 22)로 만들어진 자기열량 요소(2)를 포함하는, 열 발생기(30)의 변형 실시 예가 도시되어 있다. 이들 자기열량 재료들(21 및 22)은 항상 상반되는 자기 상태들(opposite maggnetic states)에 있게 된다. 즉 상기 자기열량 재료들의 하나(21)가 자기장의 영향을 받고 있을 때 다른 자기열량 재료(22)는 자기장 외부에 있게 되며, 또 그 역으로 된다. 본 변형 실시 예에서, 제1 및 제2 단부들(3 및 4)은 각각 자기열량 재료들(21 및 22)의 한 단부에 의해 구체화되어 있다. 도 1a 및 1b의 발생기(10)에 장착된 교환 수단(15)과 동일한 교환 수단(35, 35')이 상기 단부들(3 및 4) 각각에 인접하여 장착되어 있다. 열 전달 유체는 3개의 순환 수단들(7, 7'), 즉 상기 자기열량 요소(2)의 각 단부에 위치한 2개의 피스톤(7)들과, 양 자기열량 재료들(21 및 22)에 공동인 셀(17)에 연결되어 이들 자기열량 재료들(21 및 22)을 유체적으로 연결해주는 챔버를 지닌 하나의 피스톤(7')에 의해, 상기 자기열량 재료들(21 및 22)을 통과하여 순환한다.

도 4a를 참조하면, 열 발생기(30)의 두 개의 작동 사이클 중 하나가 도시되어 있는데, 도면상 좌측에 있는 자기열량 재료(21)는 자기적으로 활성화되고, 도면상 우측에 있는 자기열량 재료(22)는 자기적으로 비활성화된다. 좌측에 위치한 자기열량 재료(21)에서는 열 전달 유체가 좌측에서 우측으로 순환하고, 우측에 위치한 자기열량 재료(22)에서는 열 전달 유체가 우측에서 좌측으로 순환하여, 공동의 셀(17)로 향한다. 이리하여, 열 전달 유체는 동시적으로, 한편으로는 제1 단부(3)측에 위치한 교환 수단(35)의 전달 구역(8)을 통과해 흘러, 좌측에 위치한 자기열량 재료(21)에 재 진입하기 전에 열 전달 유체와의 써멀 에너지 교환이 가능해지고, 다른 한편으로는 제2 단부(4)측에 위치한 교환 수단(35')의 전달 구역(8)을 통과해 흘러, 우측에 위치한 자기열량 재료(22)에 재 진입하기 전에 열 전달 유체와의 써멀 에너지 교환이 가능해진다.

제2의 사이클에서는, 도면상 좌측에 위치한 자기열량 재료(21)가 자기적으로 비활성화되고, 도면상 우측에 위치한 자기열량 재료(22)가 자기적으로 활성화된다. 열 전달 유체는 공동 셀(17)을 빠져나와, 좌측에 위치한 자기열량 재료(21)에서는 우측에서 좌측으로 순환하고, 우측에 위치한 자기열량 재료(22)에서는 좌측에서 우측으로 순환한다. 이런 식으로 열 전달 유체는 다시 한번 동시적으로, 한편으로는 좌측에 위치한 자기열량 재료(21)를 냉각되면서 횡단하고 또한 제1 단부(3)측에 위치한 교환 수단(35)의 전달 구역(8)을 횡단하며, 다른 한편으로는 우측에 위치한 자기열량 재료(22)를 가열되면서 횡단하고 또한 제2 단부(4)측에 위치한 교환 수단(35')의 전달 구역(8)을 횡단한다.

또한 이러한 구성에서, 열 발생기(30)의 자기열량 요소(2)의 각 단부(3 및 4)에서 최대의 써멀 에너지가 회수되거나 교환되도록, 각 자기 사이클(magnetic cycle) 또는 히팅 및 쿨링 사이클이 이용된다.

여기서 도시되지는 않았지만, 여기서 설명된 것과 같은 교환 수단을 이용해서, 2개의 열 발생기들 또는 2개의 인접한 자기열량 요소들을 열적으로 연결하여, 하나의 동일한 열 발생기의 2개의 연속적인 써멀 스테이지들(consecutive thermal stages)을 형성할 수도 있다.

도시된 열 발생기들(10, 20, 30) 모두에 있어서, 교환 수단(15, 25, 35, 35', 45)은 상기 발생기들 내부에 통합되어 있으며, 자기열량 요소(2)(들)의 각 단부(3, 4)에 인접하여 배치되어 있다. 그러나 본 발명은 이러한 타입의 형태에 국한되는 것은 아니며, 본 발명은, 이러한 교환 수단(15, 25, 35, 35', 45)에 모든 단부들(3 및 4)이 연결되지 않은 형태도 제공하며, 단부들(3 및 4) 중 하나만이 연결되는 형태도 제공하는 것이다.

산업상 이용 가능성

본 발명으로 인해, 규정된 목표, 즉 자기열량 요소(2)에 의해 생성된 써멀 에너지 전달을 단순화시키고, 손실을 효과적으로 최소화시킨, 간단한 구조의 열 발생기(10, 20, 30)를 제공하는 것이 달성될 수 있음을 본 명세서로부터 명확하게 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따라 열 발생기에 교환 수단(15, 25, 35, 35', 45)을 통합시켜서, 관련된 자기열량 요소로 들어가는 유체 및 자기열량 요소로부터 나오는 유체 모두에 교환 수단이 접촉한다는 점에서, 상기 자기열량 요소에서 생산되는 써멀 에너지를 열 전달 유체로부터 직접적이고 효과적으로 추출할 수 있다. 동일한 열 전달 유체가 동일한 자기열량 요소로 들어가고 빠져나오지만, 서로 다른 온도를 가지고 상기 열 전달 유체 및 열 교환 수단(15, 25, 35, 35', 45) 사이에서 열 교환이 이루어진다.

열 발생기를 작동 시작할 때, 채널(들)(11, 11')에 의해 형성된 교환 서킷(exchange circuit)(들)을 사용하지 않는다는 점에서, 자기열량 요소(2)의 핫 단부(4) 및 콜드 단부(3) 사이에 온도 구배를 더욱 빨리 달성할 수 있다. 이러한 가능성으로 인해, 열 발생기의 작동 시간의 감소 및 사실상의 에너지 소비량을 줄일 수 있으며, 따라서 상기 열 발생기의 열 효율이 증가하게 된다.

이러한 열 발생기(10, 20, 30)는, 가격 경쟁력을 지니고 요구되는 공간을 줄이면서, 히팅 분야, 에어컨디셔닝 분야, 템퍼링(tempering) 분야, 쿨링 분야 등에서 산업용 및 가정용으로 적용될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 예들에 국한되는 것은 아니며, 첨부된 청구항들에서 규정된 보호 범위 내에서, 당 업계에서 숙련된 자에게 자명한 변형 및 수정이 가능하고, 이들 또한 본 발명에 속하는 것이다.

Claims

자기열량 열 발생기(magnetocaloric heat generator)로서, 상기 열 발생기는, 각각 제1 단부(first end)(3) 및 제2 단부(second end)(4)를 포함하는 몇몇 개의 자기열량 요소(magnetocaloric element)(2)들과; 상기 자기열량 요소(2) 각각을 가변적인 자기장(variable magnetic field)의 영향을 받게 하여, 각각의 자기열량 요소(2) 내에 히팅 사이클(heating cycle) 및 쿨링 사이클(cooing cycle)을 번갈아 일으키게 하는 자기 장치(magnetic arrangement)와; 자기장의 변화와 동기화하여 열 전달 유체를 번갈아 가며 상기 자기열량 요소(2)들을 통과시켜 제1 단부(3) 및 제2 단부(4)를 향해 그리고 그 역으로 순환시키는, 열 전달 유체 순환 수단(means for circulating)과; 상기 자기열량 요소(2)들에 의해 생산된 써멀 에너지(thermal energy)를 외부 장치(external device)와 교환하는 적어도 하나의 교환 수단(at least one means of exchange)(15, 25, 35, 35', 45);을 포함하며, 상기 교환 수단은, 히팅 또는 쿨링 사이클 중에 단부들(3, 4) 중 하나를 통해 상기 자기열량 요소(2)들에 들어오는 열 전달 유체에 의해 한 방향으로 횡단 되게끔, 그리고 다른 쿨링 또는 히팅 사이클 중에 같은 단부(3, 4)를 통해 상기 자기열량 요소(2)들을 빠져나가는 열 전달 유체에 의해 반대 방향으로 횡단 되게끔, 상기 열 발생기 내에 통합되며, 상기 교환 수단은 상기 자기열량 요소(2)들의 단부들(3, 4) 중 적어도 하나와 병치되고(juxtaposed), 적어도 이 단부 및 열 전달 유체를 순환시키는 순환 수단(7) 사이에 배치되는, 자기열량 열 발생기에 있어서,
상기 열 발생기는, 상기 자기열량 요소들이 원형 링(circular ring) 상에 설치된 원형의 구조물(circular structure)을 가지며, 상기 교환 수단(15, 25, 35, 35', 45)은 원형 링의 형상을 가지며,
상기 교환 수단(15, 25, 35, 35', 45)은, 상기 자기열량 요소(2)들 중 하나의 앞에 각각 배치되는 몇몇 개의 열 전달 구역(heat transfer zone)(8)들을 포함하며, 각각의 열 전달 구역에는, 열 전달 유체를 위한 관통 통로(through passage)(9)들과, 상기 외부 장치의 외부 유체(external fluid)가 순환하는 적어도 하나의 도관(at least one cinduit)(16, 46)으로 이루어진 적어도 하나의 서킷(at least one circuit)(11)이 구비되는 것을 특징으로 하는 열 발생기.
제1항에 있어서,
상기 도관(16)은 원통형 형상(cylindrical shape)을 지니는 것을 특징으로 하는 열 발생기.
제1항에 있어서,
상기 도관(16)은, 상기 교환 수단 내에 형성된 구멍들(pores)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 발생기.
제1항에 있어서,
상기 도관(46)은 그루브들(grooves)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 열 발생기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부 장치의 외부 유체가 역방향 흐름(contraflow)으로 교호적으로(alternately) 순환하는 적어도 두 개의 서킷들(at least two circuits)(11, 11')을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 발생기.
제1항에 있어서,
상기 교환 수단은 상기 교환 수단의 주변에 핀들(fins)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 발생기.
제1항에 있어서,
상기 자기열량 요소(2)는 적어도 두 개의 자기열량 재료들(at least two magnetocaloric materials)(21, 22)을 포함하며, 상기 적어도 두 개의 자기열량 재료들은 연속적으로 설치되어, 열 전달 유체를 위한 공동의 순환 수단(common circulation means)(7')을 통해 유체적으로 연결된(in fluidic connection) 적어도 두 개의 연속적 써멀 스테이지들(at least two consecutive thermal stages)을 형성하는 것을 특징으로 하는 열 발생기.
제1항에 있어서,
상기 교환 수단(15, 25, 35, 35', 45)은 단열 재료의 층(a layer of heat insulating material)으로 덮여져 있는 것을 특징으로 하는 열 발생기.
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