KR101726368B1 - 병렬식 자기 냉동 어셈블리 및 냉동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 추운 측과 더운 측을 구비한 제1 자성 열 스테이지; 제1 자성 열 스테이지와 병렬적 연결로 배열되며, 추운 측과 더운 측을 구비한 제2 자성 열 스테이지를 포함하는 병렬식 자기 냉동 어셈블리를 제공하며, 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각은 제1 및 제2 자성 열 스테이지들로부터 열을 받는 열교환 유체를 운반하기 위한 더운 측 열교환 회로와 제1 및 제2 자성 열 스테이지들에 열을 전달하는 열교환 유체를 운반하기 위한 추운 측 열교환 회로를 포함하며, 더운 측 열교환 회로는 열교환 유체가 제1 및 제2 자성 열 스테이지 양쪽의 더운 측과 열접촉하여 통과하도록 구성되며, 추운 측 열교환 회로는 열교환 유체가 제1 및 제2 자성 열 스테이지 양쪽의 추운 측과 열접촉하여 통과하도록 구성된다. 제1 및 제2 AMR 스테이지는 실질적으로 동일한 온도 범위를 가지나 서로 다른 추운 단부와 더운 단부 온도를 가진다. 이 경우, 어셈블리의 온도 범위는 AMR 스테이지 각각의 개별 온도 범위보다 대체적으로 클 수 있다.

Description

병렬식 자기 냉동 어셈블리 및 냉동 방법{A Parallel Magnetic Refrigerator Assembly and a Method of Refrigerating}
본 발명은 병렬식 자기 냉동 어셈블리 및 냉동 방법에 관한 것이다.
일반적 능동형 자기 재생기(active magnetic regenerator, AMR)의 냉각 사이클을 활용한 자기 냉동기에서, 능동형 부품은 자기 재생기라고 하며 자성 열(magnetocaloric material) 재질, 즉 자기장에 노출될 때 열을 발생하는 재질로 이루어진다. 이러한 재질들은 오래 전부터 알려진 것으로서, 이러한 재질들이 냉각이나 가열 목적으로 사용될 수도 있다는 것이 인식되고 있다. 특히, 능동형 자기 냉동기는 일반적으로 더운 측 열교환기와 추운 측 열교환기 사이에 배열된 자기 재생기를 포함한다. 또한, 영구 자석 또는 솔레노이드(solenoid)와 같은 자기장의 원천이 제공된다.
열전달 유체는 열전달을 위한 매개 수단으로 기능하며, 주기적으로 능동형 자기 재생기를 통해 추운 측 열교환기와 더운 측 열교환기 사이에서 앞뒤로 흐르도록 배열된다. 자기장은 반복적으로 능동형 자기 재생기에 인가되거나 능동형 자기 재생기부터 제거되며, 이로 인해 자기 재생기가 가열 및 냉각을 초래한다.
능동형 자기 재생기의 주기에는 4단계가 있다. 첫째로, 자기장의 적용은 자성 열 효과(magnetocaloric effect) 에 의해 자기 재생기를 덥히며 이로 인해 자기 재생기 내의 열전달 유체를 가열시킨다. 둘째로, 열전달 유체는 추운 측 열교환기에서 더운 측 열교환기 방향으로 흐른다. 그때 열은 열전달 유체로부터 더운 측 열교환기로 방출된다. 셋째로, 자기 재생기는 자성을 잃으며 이로 인해 바닥의 자성 열 재질과 열전달 유체를 냉각시킨다. 마지막으로, 열전달 유체는 냉각된 바닥을 통해 더운 측 열교환기에서 추운 측 열교환기 방향으로 흐른다. 열전달 유체는 추운 측 열 교환기로부터 열을 흡수한다. 그때 추운 측 열교환기는 다른 몸체나 시스템에 냉기를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
능동형 자기 재생기(AMR)의 유용성은 여러 매개 변수에 따라 달라진다:
1. 온도 범위(temperature span), 즉 자성 열 재질의 추운 단부와 더운 단부 간의 온도 차이
2. 냉각 용량(cooling capacity), 즉 시간 단위당 (전달 매개 수단으로서 열전달 유체를 이용하여) 추운 단부에서 더운 단부로 이동되는 열량
3. 자성 열 효과에 의해 생성된 온도 상승(temperature lift), 즉 주기의 1단계와 3단계 각각에서 열전달 유체의 전체 (평균) 온도가 상승하거나 하락한 정도. 온도 상승은 부분적으로 추운 단부와 더운 단부에서 열교환을 위해 사용 가능한 열량을 결정한다.
4. 추운 단부와 더운 단부에서의 열교환기 효율(heat exchanger efficiency). 이것은 온도 상승에서 다른 것들 중에서, 즉 능동형 자기 재생기에서 방출되는 유체의 온도가 추운 단부 온도의 요구 온도보다 어느 정도 낮은 지에 따라 달라진다.
각각의 AMR의 냉각 효율Q는 AMR의 온도 범위 △Tspan에 반비례적으로 관계한다. 훌륭한 근사치를 위해, 식 Q =
Figure 112011067128853-pct00001
-
Figure 112011067128853-pct00002
Figure 112011067128853-pct00003
△Tspan은 다음 관계를 가지며,
Figure 112011067128853-pct00004
와
Figure 112011067128853-pct00005
는 다른 것들 중에서 능동형 AMR재료의 량과 자기장의 크기에 따라 비례하는 상수이다. 주어진 냉각 용량과 주어진 재생기 크기에서, 이것은 더 큰 온도 범위 △Tspan를 위해서는 더 큰 자기장이 필요하다는 것을 의미한다.
자기 냉각에 사용되는 Harbach 배열과 그 변형과 같은 일반적인 영구 자석 구성에서, 획득할 수 있는 최대 자기장은 최고 조건에서만 사용된 자기 재료의 량과 함께 대수(對數)적으로 증가한다. 결과적으로, 더 큰 자기장이 요구될 때, 자석의 크기는 기하급수적으로 커진다. 자석의 가격이 AMR 냉동 시스템의 비용의 대부분(자주 가장 중요한 부분)을 차지하기 때문에, 이것이 문제가 된다.
냉각 용량이나 냉각 효율 등과 같은 다양한 요소를 증가시키거나 최적화시키기 위한 시도로서 복수의 AMR 스테이지(stage)가 활용되는 자기 냉동기가 제공된다. US-A-5,249,424에는, 복수의 순차적으로 연결된 AMR 스테이지를 포함하며 각각의 스테이지는 두 개의 자성 열 재질의 바닥층을 가지는 시스템이 개시되어 있다. 각각의 스테이지는 점진적으로 낮아지는 온도에서 작동된다. 열전달 유체는 각 스테이지에서 비자화된 바닥층의 일 세트를 통해 각각의 더운 측에서 추운 측으로 흐르도록 직렬로 배열되며, 각 스테이지에서 비자화된 바닥층의 다른 세트를 통해 각각의 추운 측에서 더운 측으로 흐르도록 직렬로 배열된다.
US-A-6,595,004 는 복수의 스테이지가 병렬로 배열될 수 있으며 열 흡수 위상에서 열 제거 위상으로 전환하기 위해 마이크로 전기 기계(microelectromechanical, MEM) 스위치 시스템이 사용되는 AMR 시스템을 개시한다. 자기 냉동기 내에서 복수의 AMR 스테이지를 사용하는 시스템의 다른 예들은 US-A-2007/0144181, US-A-5,887,449 and US-A-2007/0199332 를 포함하며, 이들 문헌은 모두 AMR 스테이지의 직렬 배열을 개시한다.
US-A-6,467,274는 더운 측과 추운 측 열교환기를 구비한 병렬 배열의 자성 열 스테이지를 개시한다. 예를 들어 이 문헌의 도 6을 참고하면, "직렬-병렬 구성"이 개시되며, 여기서 세 개의 AMR 스테이지(602 내지 604)는 병렬로 연결되며 세 개의 또 다른 스테이지(605 내지 607)는 직렬로 연결된다. 20K의 결과 온도가 획득되며 이것은 수소를 녹이기에 충분히 낮다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 내부를 흐르는 제1 열전달 유체를 받도록 배열된 제1 온도 범위를 가지는 제1 자성 열 스테이지; 제1 자성 열 스테이지에 병렬 관계로 배열되며, 내부를 흐르는 제2 열전달 유체를 받도록 배열된 제2 온도 범위를 가지는 제2 자성 열 스테이지를 포함하는 자기 냉동 어셈블리가 제공된다. 여기서, 제1 및 제2 온도 범위는 실질적으로 동일하나, 제1 및 제2 자성 열 스테이지의 추운 단부의 절대 온도는 서로 다르며, 및/또는 제1 및 제2 자성 열 스테이지의 더운 단부의 절대 온도는 서로 다르다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각은 더운 측(hot side)과 추운 측(cold side)을 각각 가지며, 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각은 더운 측 열교환기 회로(hot side heat exchange circuit)를 포함한다.
바람직하게는, 더운 측 열교환 회로는 열교환 유체가 먼저 제1 자성 열 스테이지의 더운 측과 열접촉하여 통과하고 다음으로 제2 자성 열 스테이지의 더운 측과 열접촉하여 통과하도록 구성되며, 제1 자성 열 스테이지의 더운 측의 온도는 제2 자성 열 스테이지의 더운 측의 온도보다 낮다.
바람직하게는, 자기 냉동 어셈블리는 더운 측 열교환 회로에 연결하기 위한 더운 측 열교환기(hot side heat exchanger)와 추운 측 열교환 회로에 연결하기 위한 추운 측 열교환기를 더 포함한다.
일 실시예에서, 추운 측 열교환 회로는 열교환 유체가 제1 및 제2 자성 열 스테이지 양쪽의 추운 측과 열접촉하여 통과하도록 구성된다.
바람직하게는, 두 개보다 많은 병렬식 자성 열 스테이지가 제공된다.
바람직하게는, 자성 열 스테이지 각각은, 자성 열 유닛(magnetocaloric unit)과 자성 열 유닛을 선택적으로 자화하고 비자화하기 위한 자기장 원천(magnetic field source)을 포함한다.
일 실시예에서, 자기 냉동 어셈블리는 능동형 자기 재생 주기를 얻기 위해 자성 열 유닛의 자화와 비자화를 이용하여 주기적으로 자성 열 유닛을 통해 열전달 유체를 펌프하는 하나 이상의 펌프를 포함한다.
바람직하게는, 자성 열 유닛 각각은 더운 단부와 추운 단부 사이에서 직선왕복이나 회전 운동을 하는 열전달 유체의 유동을 위해 내부에 복수의 개별 경로를 구비한 자성 열 부품을 포함한다.
바람직하게는, 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각의 온도 범위는 섭씨 10도와 섭씨 60도 사이에 있다.
바람직하게는, 각각의 자성 열 스테이지 간에 온도 오프셋(offset)은 섭씨 0.5도와 섭씨 5도 사이에 있다.
일 실시예에서, 더운 측의 전체 온도 범위와 추운 측의 전체 온도 범위가 다르다.
본 어셈블리는 예를 들어 US-A-6,467,274에 개시된 공지된 병렬식 AMR 시스템과 대조된다. US-A-6,467,274에 따르면, 더운 측에서 열교환 회로 간에 접촉이 전혀 없으며, 이는 연속적인 스테이지(602, 603, 604)의 온도 범위가 이에 상응하여 상승한다는 것을 의미한다. US-A-6,467,274의 도 6의 어셈블리에서 "냉각" 측의 온도가 AMR 스테이지(602, 603, 604) 각각에서 동일하다고 가정한다면, 추운 측의 온도가 이러한 스테이지를 줄이기 때문에, 다른 모든 요소가 동일하다고 할 때, 첫 번째 스테이지(602)에 요구되는 자석은 두 번째 스테이지(603) 등에 요구되는 자석보다 더 커야 된다.
여기 개시된 어셈블리에서, 각각의 추운 측과 더운 측 열교환기가 더 이상 전체 온도 상승을 이을 필요가 없기 때문에, 이들은 아주 작게 만들어질 수 있으며 여전히 효율적일 수 있다. 다른 열교환기나 냉매 질량 유체가 사용된다면, 더운 측 온도 상승과 추운 측 온도 상승은 동일할 필요가 없다. 이것은 주위 온도가 다른 경우 특히 유리할 수 있으며 아마도 다른 경우에도 유리할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 추운 측과 더운 측을 구비한 제1 자성 열 스테이지; 제1 자성 열 스테이지와 병렬적 연결로 배열되며, 추운 측과 더운 측을 구비한 제2 자성 열 스테이지를 포함하는 병렬식 자기 냉동 어셈블리가 제공된다. 여기서, 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각은 제1 및 제2 자성 열 스테이지들로부터 열을 받는 열교환 유체를 운반하기 위한 더운 측 열교환 회로와 제1 및 제2 자성 열 스테이지들에 열을 전달하는 열교환 유체를 운반하기 위한 추운 측 열교환 회로를 포함하며, 더운 측 열교환 회로는 열교환 유체가 제1 및 제2 자성 열 스테이지 양쪽의 더운 측과 열접촉하여 통과하도록 구성된다.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 각각의 제1 및 제2 온도 범위를 가지며 서로 병렬로 배열된 제1 및 제2 자성 열 스테이지를 구비한 자기 냉동 어셈블리의 냉동 및/또는 히프 펌핑 방법으로서, 제1 열전달 유체를 제공하고, 제1 열전달 유체가 제1 자성 열 스테이지 내를 흐르도록 하는 단계; 제2 열전달 유체를 제공하고, 제2 열전달 유체가 제2 자성 열 스테이지 내를 흐르도록 하는 단계를 포함하는 냉동 및/또는 히트 펌핑 방법이 제공된다. 여기서, 제1 및 제2 온도 범위는 실질적으로 동일하나 제1 및 제2 자성 열 스테이지의 추운 단부의 절대 온도는 서로 다르며 및/또는 제1 및 제2 자성 열 스테이지의 더운 단부의 절대 온도는 서로 다르다.
본 발명의 제4 측면에 따르면, 본 발명의 다른 측면들에 따른 자기 냉동 어셈블리를 사용 및/또는 작동하는 것을 포함하는 냉동 및/또는 히트 펌핑 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 추운 측 열교환기와 더운 측 열교환기에 각각 연결될 수 있는 추운 측과 더운 측을 구비한 제1 자성 열 스테이지; 제1 자성 열 스테이지와 병렬적 연결로 배열되며, 추운 측 열교환기와 더운 측 열교환기에 각각 연결될 수 있는 추운 측과 더운 측을 구비한 제2 자성 열 스테이지를 포함하는 병렬식 자기 냉동 어셈블리가 제공된다. 여기서, 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각의 추운 단부의 작동 온도는 서로 다르며 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각의 더운 단부의 작동 온도도 서로 다르며, 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각의 온도 범위는 실질적으로 동일하다.
실질적으로 동일한 온도 범위를 가지나 서로 다른 추운 단부와 더운 단부 온도를 가지며 병렬로 연결되는 적어도 하나의 제1 및 제2 AMR 스테이지를 구비한 냉동 어셈블리가 제공된다. 이 경우, 어셈블리의 온도 범위는 AMR 스테이지 각각의 개별 온도 범위보다 대체적으로 클 수 있다. 열교환 유체가 한 개의 AMR 스테이지를 나와 다음 AMR 스테이지 내로 차례차례 공급되도록 배열될 수 있다. 추운 측 열교환기 단부에서 확인된 전체 온도 범위는 각각의 개별 AMR 스테이지의 온도 상승보다는 첫 번째 AMR 스테이지와 마지막AMR 스테이지의 추운 단부 온도 간의 차이이다. 원하는 만큼의AMR 스테이지의 개수가 제공될 수 있다. 일례로서, 2 내지 10개의 또는 더 많은 개수의 스테이지가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 자성 열 스테이지 각각은, 자성 열 유닛(magnetocaloric unit)과 자성 열 유닛을 선택적으로 자화하고 비자화하기 위한 자기장 원천(magnetic field source)을 포함한다.
바람직하게는, 냉동 어셈블리는 능동형 자기 재생 주기를 얻기 위해 자성 열 유닛의 자화와 비자화를 이용하여 주기적으로 자성 열 유닛을 통해 열전달 유체를 펌프하는 하나 이상의 펌프를 포함한다.
일 실시예에서, 자성 열 유닛 각각은 더운 단부와 추운 단부 사이에서 열전달 유체의 유동을 위해 내부에 복수의 개별 경로를 구비한 자성 열 부품을 포함한다.
일 실시예에서, 이러한 경로는 유체유동 방향을 따라 나눠지며, 자성 열 부품을 이루는 재질의 자기 전이 온도(magnetic transition temperature)는 이러한 복수의 개별 경로에 따라 변한다.
바람직하게는, 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각의 온도 범위는 섭씨 10도와 섭씨 60도 사이에 있다. 각각의 자성 열 스테이지 간에 온도 오프셋(offset)은 섭씨 0.5도와 섭씨 5도 사이에 있다.
도 1은 병렬식 자기 냉동 어셈블리의 개략적 도면.
도 2는 자성 열 스테이지의 개략적 도면.
도 1은 병렬식 자기 냉동 어셈블리의 개략적 도면이다. "어셈블리"란 용어는 어셈블리가 복수의 자성 열 스테이지를 포함하기 때문에 사용된다. 어셈블리는 장치의 한 부분이거나 선택적으로 구성 가능한 스테이지의 모음으로 이해될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "냉동 어셈블리"로 설명된 어셈블리는 동일하게 "히트 펌프(heat pump)"로 사용되거나 설명될 수도 있다.
냉동 어셈블리(2)는 병렬로 배열된 다섯 개의 AMR 스테이지(41 내지 45)를 포함한다. 이들은 "병렬식"으로 배열되며, 각각의 스테이지는 각각의 자성 열 부품(도 1에 미도시)을 포함하며 열전달 유체를 위한 각각의 전용 경로를 가지고 각각의 능동형 자기 냉동 주기를 실행한다. 즉, 열전달 유체를 위한 병렬식의 개별 통로가 있다. 열전달 유체용 경로 및 이로 인한 어셈블리 내의 열은 전체적으로 AMR 스테이지들 중 하나의 더운 측에서 다른 하나의 더운 측 등으로 이어진다. 이는 AMR 스테이지(41 내지 45)의 추운 측에도 동일하게 적용된다.
추운 측 열교환기(6)는 냉동 어셈블리(2)의 추운 측에 제공되며, 더운 측 열교환기(8)는 냉동 어셈블리(2)의 더운 측에 제공된다. 도시된 예에서, 더운 측 열교환기(8)는 대기에 열을 방출하도록 배열되며, 추운 측 열교환기(6)는 인클로저(enclosure, 10) 에 냉각을 제공하기 위해 인클로저(10) 내에 배열된다. 인클로저(10)는 가정용 또는 산업용 냉장고와 같은 냉동기일 수 있다.
경로(12)(이 경우 경로는 연속적임)가 AMR 스테이지(41 내지 45)의 더운 측을 통해 제공되며, AMR 스테이지(41 내지 45)의 더운 측을 통해 흐르도록 열교환 유체가 배열된다. 특히, 열교환 유체는 AMR 스테이지(41 내지 45)의 더운 측과 열접촉하며 통과하도록 배열된 열전도 도관을 따라 흐르도록 강제된다. 열교환 유체가 AMR 스테이지(41 내지 45)의 더운 측을 통해 통과함에 따라, 열교환 유체는 아래에 설명된 바와 같이 AMR 스테이지(41 내지 45) 내에서 사용되는 열전달 유체로부터 열을 수집한다.
냉동기의 추운 측에도 유사한 배열이 존재한다. 경로(14)(이 경우 경로는 연속적임)가 AMR 스테이지(41 내지 45)의 추운 측을 통해 제공되며, AMR 스테이지(41 내지 45)의 추운 측을 통해 흐르도록 열교환 유체가 배열된다. 특히, 열교환 유체는 AMR 스테이지(41 내지 45)의 추운 측과 열접촉을 위해 통과하도록 배열된 열전도 도관을 따라 흐르도록 강제된다. 열교환 유체가 AMR 스테이지(41 내지 45)의 추운 측을 통해 통과함에 따라, 열교환 유체가 추운 측 열교환기로부터 수집한 열은 열전달 유체로 전달된다. 열교환 유체와 열전달 유체는 AMR 스테이지와 열교환기 의 온도 범위와 재질에 따라 선택된다. 한정되지 않는 예들은 물과 소금물을 포함한다.
따라서, 열교환기(6, 8) 각각의 내부에 열교환 유체 양쪽의 흐름이 존재하며, 또한AMR 스테이지(41 내지 45) 각각의 내부에 열전달 유체의 흐름이 존재한다.
어셈블리는 사용되는 영구 자석 또는 전자석 중 어느 하나의 크기를 증가시키는 것 없이 전체 장치 온도 범위의 증가를 가능하게 한다.
이것은 동일한 온도 범위를 가지나 서로 다른 추운 단부 온도와 더운 단부 온도를 구비한 병렬식으로 작동하는 복수(즉, 둘 또는 그 이상)의 AMR 스테이지를 구비함으로써 가능하다. 복수의 AMR 스테이지의 온도 범위는 이웃한 스테이지와 관련하여 오프셋(offset)된 절대 온도와 동일하다. (전체적으로 어셈블리의) 전체 범위 Spantotal 는 Spantotal = spanstage + (n-1)x로 표현될 수 있다.
여기서, n개의 AMR 스테이지들은 병렬로 존재하며 오프셋 온도는 x
Figure 112011067128853-pct00006
C 이다.
이와 같이, 어셈블리의 온도 범위는 AMR 스테이지 각각의 개별 온도 범위보다 대체적으로 클 수 있다. 열교환 시스템 내의 열교환 유체(냉각제)는 한 개의 AMR 스테이지를 나와 다음 AMR 스테이지 내로 차례차례 공급된다. 추운 측 열교환기 단부에서 확인된 전체 온도 범위는 각각의 개별 AMR 스테이지의 온도 상승보다는 첫 번째 AMR 스테이지와 마지막AMR 스테이지의 추운 단부 온도 간의 차이이다.
위에 언급된 식 Q =
Figure 112011067128853-pct00007
-
Figure 112011067128853-pct00008
Figure 112011067128853-pct00009
△Tspan의 관계를 이용하여,
Figure 112011067128853-pct00010
=300W와
Figure 112011067128853-pct00011
=5W/
Figure 112011067128853-pct00012
C 을 가진 1리터의 능동형 재생기 볼륨을 구비한 단일 AMR을 가정하자. 섭씨 40도의 온도 범위에서, 이는 최적으로 운영될 때 100 watt의 냉각 용량에 해당한다.
요구 온도 범위가 섭씨 40도에서 섭씨 50도로 증가될 경우, 냉각 용량은 50 watts (300-(5x50))로 떨어진다. 따라서, 냉각 용량을 그대로 유지하기 위해 재생기의 볼륨이 두 배로 증가되거나 (또는 최대 자기장이 증가하여야) 한다. 그러나, 이것 역시 요구 자석 볼륨을 적어도 두 배 늘리게 된다.
도 1에 도시된 것과 같은 어셈블리를 이용하여, n개의 (여기서, n은 1보다 큰 정수) AMR 스테이지들은 첫 번째 AMR 스테이지의 추운 측과 마지막 AMR 스테이지의 더운 측 간의 온도 차이가 섭씨 50도와 동일하도록 병렬로 결합될 수 있다. 따라서, 어셈블리의 조합된 온도 범위는 섭씨 50도의 (새로운) 필요 온도 범위를 제공한다. AMR 스테이지 각각은 여전히 필수적인 100/n watts의 냉각 용량을 위해 최적으로 동작하며, 이는 이들이 원래 AMR 스테이지 크기의 1/n이기 때문이며, 동일한 온도 범위에서 동작한다. 따라서, 전체 시스템의 냉각 용량은 재생기의 요구 볼륨을 증가시키는 것 없이 여전히 필수적인 100 watts이다.
중요하게는, 더 큰 자석의 필요성이 사전에 제거된다. 대신에, 전체 크기는 원래 자석과 동일한 n개의 작은 자석들(병렬로 연결된 AMR 스테이지 각각에 한 개씩) 이 제공된다. 일부 실시예에서는, 스테이지들 중 하나의 자성 열 부품이 자화될 때 다른 스테이지들 중 하나의 자성 열 부품이 비자화되도록 어셈블리가 배열됨으로써 n개보다 적은 자석이 요구되는 것이 가능하며, 어셈블리 내에서 둘 이상의 AMR 스테이지 사이에 한 개의 단일 자석이 공유될 수 있다. 어느 한 개의 자석도 그 크기가 증가되지 않는다는 사실은, 각각의 개별 AMR 스테이지 내의 열교환 효율이 약간 덜 효율적이라는 것과, 어셈블리에 부가된 흐름관(flow tube)과 드라이브 트레인(drive train)과 같은 추가적 부품의 수가 늘어나는 것을 상세하고도 남는다.
도시된 한정되지 않는 구체적 예에서는, AMR 스테이지(41)의 첫 번째를 참고하여 도면에 도시된 바와 같이 상부에서 시작하며, 더운 측 온도는 섭씨 42도이고 추운 측 온도는 섭씨 영하 5도이다. 따라서, 이러한 스테이지의 온도 범위는 섭씨 47도이다. 이와 동일한 온도 범위가 다른 AMR 스테이지(42 내지 45) 각각에도 제공된다.
중요하게는, 도 1의 전체 어셈블리는, AMR 스테이지들의 각각의 스테이지가 단지 섭씨 47도의 온도 범위를 필요로 함에도 불구하고, 섭씨 55도의 온도 범위(하부 스테이지의 더운 단부 온도(50
Figure 112011067128853-pct00013
C)와 상부 스테이지의 추운 단부 온도(-5
Figure 112011067128853-pct00014
C) 간의 온도 차이)를 가진다. 비록 전체적으로는 추운 측의 전체 온도 범위가 섭씨 10도(5- (-5) = 10
Figure 112011067128853-pct00015
C)라 하더라도, 이런 스테이지들 각각의 온도 상승은 단지 섭씨 2도에 불과하다.
더운 측과 추운 측 양쪽에서 열교환 유체의 흐름을 위한 경로는 연속적이다. 예를 들어 더운 측의 경우, 열교환 유체는 열교환 시스템 내에서 제1 AMR 스테이지의 더운 단부(42
Figure 112011067128853-pct00016
C)에서 제2 AMR 스테이지의 더운 단부(44
Figure 112011067128853-pct00017
C)로 흐른다. 이것은 추운 측의 열교환 유체가 AMR 스테이지들을 통해 흐르면서 점진적으로 냉각되는 것을 의미하며, 각각의 개별 장치의 온도 범위는 실질적으로 동일하다.
추운 측 냉각제(열교환 유체)는 섭씨 5도에서 냉동기로 진입하며 섭씨 영하 5도에서 진출한다. 추운 측 냉각제는 다섯 개의 AMR 스테이지 각각을 차례로 통과하며 열교환에 의해 점진적으로 냉각된다. 예를 들어, 열교환 유체는 가장 하부에 위치한 AMR 스테이지에 섭씨 5도에서 진입하며 이러한 AMR 스테이지와의 열교환에 의해 섭씨 3도로 냉각된다. 따라서, 열교환 유체는 제2 AMR 스테이지를 섭씨 3도에서 진입하며 섭씨 1도로 더 냉각된다. AMR 스테이지 각각의 내부에는, 열전달 유체가 일반적인 AMR 주기로 앞과 뒤로 왔다 갔다 하게 된다. 예를 들어 WO-A-2006/074790에 기초한 본 출원인의 미결정된 출원과 등록 결정된 특허 및 아래에 보다 상세하게 설명된 바와 같이, 도면 도시의 단순화를 위해 각각의 AMR 스테이지는 직선 왕복 운동하는 재생기로 도시되어 있다. 그러나, 각각의 AMR 스테이지는 예를 들어 로터리 디자인(rotary design)과 같이 다른 형태의 재생기일 수도 있음은 물론이다.
더운 측의 경우, 냉각제는 가장 하부에 위치한 AMR 스테이지(45)에서 섭씨 50도에 진출하며 열을 예를 들어 대기 중으로 방출하며, 가장 상부에 위치한 AMR 스테이지를 섭씨 40도에 진입한다. 추운 측의 냉각제가 AMR 스테이지의 추운 측을 통해 통과하면서 각각의 스테이지에서 열을 방출하는 것과 유사한 방식으로, AMR 스테이지들을 통과할 때, 냉각제가 내부 열전달 유체로부터 점진적으로 열을 흡수한다.
일 예에서는, 본 출원인의 이전 특허 출원에 설명된 바와 같이, 각각의 AMR 스테이지가 기능적으로 등급 지어진다. 즉, 자성 열 부품의 자기 전이 온도(magnetic transition temperature)는 이것의 동작이 요구 온도 간격에서 최적화될 수 있도록 각각의 AMR 스테이지 내의 열전달 유체의 흐름에 따라 변한다.
어느 특정 실시예에서는, 각각의 AMR 스테이지가, 실질적으로 원통형의 자성 열 부품이 영구 자석의 축을 기준으로 회전하도록 배열되며 회전함에 따라 변화하는 자기장에 자성 열 부품의 단면이 노출되도록 형태 지어진 로터리 디자인에 따라 제조될 수 있다. 이외에, 다른 구성도 사용될 수 있다.
실제로, 병렬식 스테이지의 최적 개수는, 요구되는 전체 온도 범위, 그리고 장치의 추운 단부와 더운 단부에서의 열교환 효율, 그리고 (흐름관과 같은) 별도의 부품을 어셈블리에 부가하는데 드는 비용을 고려하여 결정될 수 있다.
더운 측의 전체 온도 범위와 추운 측의 전체 온도 범위는, 다른 열교환기나 냉매 질량 유체가 사용되는 경우에는 동일할 필요가 없다. 이것은 주위 온도가 다를 때 유리할 수 있으며 아마도 다른 경우에도 유리할 수 있다.
모듈 디자인(modular design)은 장치의 작동 범위를 사용자 요구에 맞추는 것이 가능하다. 따라서, (예를 들어 열대지방과 같은) 매우 더운 환경에서 작동될 경우, 더운 측에서 열이 방출되는 온도를 높이기 위해 병렬식 AMR 스테이지가 더 부가될 수 있다. 반대로, 낮은 온도로 냉각하는 것이 필요하지 않을 경우, 가장 낮은 온도에서 동작하는 AMR 스테이지는 제거될 수 있다. 이와 같이, 장치는 주어진 특징적 주위 및/또는 추운 단부 온도에서 최적화되어 작동하도록 제조될 수 있다.
도 2는 도 1의 AMR 스테이지로 사용될 수 있는 (열교환기가 없는) 컴포넌트 자기 냉동기(component magnetic refrigerator)의 일례를 개략적으로 나타낸 도면이다.
컴포넌트 냉동기(16)는 자성 열 스테이지를 포함하며, 자성 열 스테이지는 자성 열 유닛(18)을 포함한다. 자성 열 스테이지를 통해 앞뒤로 흐름이 강제되도록 열전달 유체(20)가 제공된다. 도시된 예에서, 자성 열 스테이지를 통해 열전달 유체(20)가 왕복 직선 운동하도록 강제하기 위해 피스톤(22, 24)이 제공된다.
또한, 자성 열 유닛(18)에 자기장을 선택적으로 인가하고 제거하기 위해 자석(미도시)이 제공된다. 이러한 자석은 영구 자석이나 또는 이런 자석이나 전자석이나 솔레노이드와 같은 자석의 배열일 수 있다. 저온에 적용하는 경우, 솔레노이드는 초전도 재질로 이루어질 수 있으며, 액체 질소 또는 액체 헬륨과 같은 극저온 액체에 의해 냉각될 수 있다.
도시된 구체적 예에서는, 자성 열 유닛(18)의 수직 단면이 도시되어 있다. 자성 열 유닛(18)은 열전달 유체(20)가 흐르는 통로 또는 경로를 한정하는 플레이트(26)를 포함한다.
또한, 추운 측 열교환기에서 더운 측 열교환기로의 x 방향으로 자성 열 유닛의 온도 변화를 나타낸 그래프가 도 2에 도시되어 있다. 온도 기울기는 추운 측(28)과 더운 측(30) 사이에서 설정된다. 어떤 지점 x에서의 온도 T(x)는 온도 T cold 과 T hot 사이에서 변한다. 재질의 자성 열 효과가 온도와 함께 변한다는 것과 재질의 자기 전이 온도에서 또는 근처에서 최대가 된다는 공지된 사실로부터, 플레이트는 자성 열 유닛(18) 내에서 플레이트(26)의 자기 전이 온도가 추운 측(28)과 더운 측(30) 사이의 방향에서 변화하도록 형성될 수 있다.
도시된 예의 명확성을 위해, 열교환 유체를 위한 열교환기와 도관은 도시되어 있지 않다. 실제로 열전달 유체(20)와 열교환 유체 간에 예를 들어 전도에 의한 열전달이 가능하도록 열교환 유체를 위한 도관이 배열된다는 것이 이해될 것이다. 컴포넌트 냉동기의 보다 상세한 설명은 본 출원인의 PCT 출원번호 PCT/EP2005/013654와 공개번호 WO-A-2006/074790 및 (이들을 바탕으로 한 등록결정된 특허들)에서 제공된다. 이러한 출원들의 전체내용이 생략된 부분 없이 본 출원에 기재되어 있다.
도 2에 도시된 예에서 자성 열 유닛(18)의 플레이트(26)를 형성하기 위해 사용된 재질 또는 재질들은 비-부식화 재질, 즉 열전달 유체와 같은 액체에 노출 시 대체적으로 부식되지 않는 재질일 수 있다. 특히, 자기 재생기에 가돌리늄(gadolinium)과 같은 금속 재질을 일반적으로 사용함에 따라 발생하는 부식 문제를 피하기 위해, 세라믹 재질을 사용하는 것이 선호된다.
또한, 냉동 방법이 개시되어 있다. 이러한 냉동 방법은, 병렬로 연결된 복수의 AMR 스테이지를 구비한 어셈블리를 이용하는 냉각방식을 포함한다. 바람직하게는, 만약 요구 온도 범위에 걸쳐 작동하는 하나의 단일 장치를 만들려는 경우, 스테이지 각각의 온도 범위는 동일하나 실제 작동 온도는 요구되는 보다 큰 자석 없이도 전체적으로는 이러한 어셈블리를 위해 더 큰 온도 범위가 획득될 수 있도록 오프셋(offset)된다.
본 발명의 실시예들이 도시된 예들에 특정 번호와 함께 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 사상 범위 내에서 도시된 예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 것이다.

Claims (18)

  1. 더운 단부과 추운 단부을 가지며, 제1 온도 범위에서 작동하도록 구성되며, 내부를 흐르는 제1 열전달 유체를 받도록 배열되는 제1 자성 열 스테이지;
    더운 단부와 추운 단부를 가지며, 제2 온도 범위에서 작동하도록 구성되며, 내부를 흐르는 제2 열전달 유체를 받도록 배열되며, 상기 제1 자성 열 스테이지에 대해 병렬 관계로 배열되는 제2 자성 열 스테이지를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 온도 범위는 실질적으로 동일하나, 상기 제1 및 제2 자성 열 스테이지의 추운 단부의 절대 온도가 서로 다르거나 및/또는 상기 제1 및 제2 자성 열 스테이지의 더운 단부의 절대 온도가 서로 다르며,
    상기 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각은 더운 측(hot side)과 추운 측(cold side)을 각각 가지며,
    상기 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각은 더운 측 열교환 회로(hot side heat exchange circuit)와 추운 측 열교환 회로(cold side heat exchange circuit)를 포함하며,
    상기 더운 측 열교환 회로는 제1 열교환 유체가 먼저 상기 제1 자성 열 스테이지의 더운 측과 열접촉하여 통과한 다음 상기 제2 자성 열 스테이지의 더운 측과 열접촉하여 통과하도록 구성되며,
    상기 제1 열교환 유체가 상기 제1 및 제2 자성 열 스테이지의 더운 측을 통과하는 동안, 상기 제1 자성 열 스테이지의 더운 측의 온도는 상기 제2 자성 열 스테이지의 더운 측의 온도보다 낮으며,
    상기 추운 측 열교환 회로는 제2 열교환 유체가 먼저 상기 제2 자성 열 스테이지의 추운 측과 열접촉하여 통과한 다음 상기 제1 자성 열 스테이지의 추운 측과 열접촉하여 통과하도록 구성되며,
    상기 제2 열교환 유체가 상기 제2 및 제1 자성 열 스테이지의 추운 측을 통과하는 동안, 상기 제2 자성 열 스테이지의 추운 측의 온도는 상기 제1 자성 열 스테이지의 추운 측의 온도보다 높은, 자기 냉동 어셈블리.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 더운 측 열교환 회로에 연결하기 위한 더운 측 열교환기(hot side heat exchanger)와 상기 추운 측 열교환 회로에 연결하기 위한 추운 측 열교환기를 더 포함하는, 자기 냉동 어셈블리.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    두 개보다 많은 병렬식 자성 열 스테이지가 제공되는, 자기 냉동 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 자성 열 스테이지 각각은, 자성 열 유닛(magnetocaloric unit)과 상기 자성 열 유닛을 선택적으로 자화하고 비자화하기 위한 자기장 원천(magnetic field source)을 포함하는, 자기 냉동 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    능동형 자기 재생 주기를 얻기 위해 상기 자성 열 유닛의 자화와 비자화를 이용하여 주기적으로 상기 자성 열 유닛을 통해 열전달 유체를 펌프하는 하나 이상의 펌프를 포함하는, 자기 냉동 어셈블리.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 자성 열 유닛 각각은, 더운 단부와 추운 단부 사이에서 직선왕복이나 회전 운동을 하는 열전달 유체의 유동을 위해 내부에 복수의 개별 경로를 구비한 자성 열 부품을 포함하는, 자기 냉동 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각의 온도 범위는 섭씨 10도와 섭씨 60도 사이인, 자기 냉동 어셈블리.
  11. 제1항에 있어서,
    각각의 스테이지 간에 온도는 섭씨 0.5도와 섭씨 5도 사이의 온도차에 의해 오프셋(offset)되는, 자기 냉동 어셈블리.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 더운 단부의 전체 온도 범위와 상기 추운 단부의 전체 온도 범위는 다른, 자기 냉동 어셈블리.
  13. 추운 측과 더운 측을 구비하며, 제1 온도 범위에서 작동하도록 구성되며, 내부를 흐르는 제1 열전달 유체를 받도록 배열되는 제1 자성 열 스테이지;
    추운 측과 더운 측을 구비하며, 제2 온도 범위에서 작동하도록 구성되며, 내부를 흐르는 제2 열전달 유체를 받도록 배열되며, 상기 제1 자성 열 스테이지에 대해 병렬 관계로 배열되는 제2 자성 열 스테이지를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 온도 범위는 실질적으로 동일하나, 상기 제1 및 제2 자성 열 스테이지의 추운 단부의 절대 온도가 서로 다르거나 및/또는 상기 제1 및 제2 자성 열 스테이지의 더운 단부의 절대 온도가 서로 다르며,
    상기 제1 및 제2 자성 열 스테이지 각각은,
    제1 열교환 유체가 상기 자성 열 스테이지들로부터 열을 전달받기 위해 상기 자성 열 스테이지들을 통과하도록 구성된 더운 측 열교환 회로와,
    제2 열교환 유체가 상기 자성 열 스테이지들로 열을 전달하기 위해 상기 자성 열 스테이지들을 통과하도록 구성된 추운 측 열교환 회로를 포함하며,
    상기 더운 측 열교환 회로는 상기 제1 열교환 유체가 먼저 상기 제1 자성 열 스테이지의 더운 측과 열접촉하여 통과한 다음 상기 제2 자성 열 스테이지의 더운 측과 열접촉하여 통과하도록 구성되며,
    상기 제1 열교환 유체가 상기 제1 및 제2 자성 열 스테이지의 더운 측을 통과하는 동안, 상기 제1 자성 열 스테이지의 더운 측의 온도는 상기 제2 자성 열 스테이지의 더운 측의 온도보다 낮으며,
    상기 추운 측 열교환 회로는 상기 제2 열교환 유체가 먼저 상기 제2 자성 열 스테이지의 추운 측과 열접촉하여 통과한 다음 상기 제1 자성 열 스테이지의 추운 측과 열접촉하여 통과하도록 구성되며,
    상기 제2 열교환 유체가 상기 제2 및 제1 자성 열 스테이지의 추운 측을 통과하는 동안, 상기 제2 자성 열 스테이지의 추운 측의 온도는 상기 제1 자성 열 스테이지의 추운 측의 온도보다 높은, 병렬식 자기 냉동 어셈블리.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 더운 측 열교환 회로에 연결하기 위한 더운 측 열교환기(hot side heat exchanger)와 상기 추운 측 열교환 회로에 연결하기 위한 추운 측 열교환기를 더 포함하는, 병렬식 자기 냉동 어셈블리.
  16. 삭제
  17. 제13항 또는 제15항에 있어서,
    상기 자성 열 유닛 각각은, 더운 단부와 추운 단부 사이에서 직선왕복 운동을 하는 열전달 유체의 유동을 위해 내부에 복수의 개별 경로를 구비한 자성 열 부품을 포함하는, 병렬식 자기 냉동 어셈블리.
  18. 제1항, 제4항, 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 자기 냉동 어셈블리를 이용한 냉동 방법으로서,
    제1 열전달 유체가 제1 자성 열 스테이지 내를 흐르도록 상기 제1 열전달 유체를 제공하는 단계;
    제2 열전달 유체가 제2 자성 열 스테이지 내를 흐르도록 상기 제2 열전달 유체를 제공하는 단계;
    제1 열교환 유체가 먼저 상기 제1 자성 열 스테이지의 더운 측과 열접촉하여 통과한 다음 상기 제2 자성 열 스테이지의 더운 측과 열접촉하여 통과하도록, 더운 측 열교환 회로 내에 상기 제1 열교환 유체를 제공하는 단계;
    제2 열교환 유체가 먼저 상기 제2 자성 열 스테이지의 추운 측과 열접촉하여 통과한 다음 상기 제1 자성 열 스테이지의 추운 측과 열접촉하여 통과하도록, 추운 측 열교환 회로 내에 상기 제2 열교환 유체를 제공하는 단계를 포함하는, 냉동 방법.
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