KR101730051B1 - 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관용 다중재료 블레이드 - Google Patents

능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관용 다중재료 블레이드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에서 능동형 재생 재생기로 사용되는 다중재료 블레이드의 설계 및 제조를 기술한 것이다. 블레이드는 길이를 따라 블레이드 바디를 나누는 복수의 소자들(2)로 구성된다. 각 소자(2)는 적절히 선택된 다른 자기열재료 또는 전기열재료로 제조되고, 복수의 전용채널들(3)이 블레이드 바디(1)를 관통해 블레이드의 길이를 따라 뻗어 있다. 전용채널들(3)에는 유체 혼합구조, 다공층 또는 소수성 코팅이 제공될 수 있어 능동형 재생 열기관에서 HE 손실을 줄인다. 다중재료 블레이드는 비용을 줄이기 위해 잉크젯 프린팅 기술에 의해 달성될 수 있다. 다중재료 블레이드는 또한 나선형 블레이드 바디(1)를 형성하기 위해 구배진 형태를 가질 수 있다. 모든 조치들은 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관의 성능을 향상시키고 상업용 방안들에 대한 기반을 세울 수 있다.

Description

능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관용 다중재료 블레이드{Multi-Material-Blade for active regenerative magneto-caloric or electro-caloric heat engines}
본 발명은 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드에 관한 것이다. 특히, 다중재료 블레이드는 각각의 열기관에서 능동형 자기 재생기(AMR) 또는 능동형 전기열 재생기(AER)로서 작동하고, 성능을 크게 향상시키도록 설계된다.
이런 열 기관들은 냉각, 열펌핑, 및 에너지 재생 응용에 사용될 수 있다.
능동형 자기 재생 열기관 및 능동형 자기 재생기는 최초로 바클레이(Barclay)에 의해 상대적으로 넓은 온도범위에 걸쳐 냉동 및 냉각을 하도록 강자성 재료의 자기열 효과를 이용할 수 있는 것으로 입증되었다(가령 US 4,332,135 참조). 브라운 자기열 장치라고 하는 초기의 장치도 또한 능동형 자기 재생 사이클은 아니지만 재생 사이클을 이용했다(US 4,069,028 참조).
재료
자기열재료는 (일반적으로 단열상태 하에서 측정된) 자기장의 인가 또는 제거시 온도가 변하는 자기열효과(Magneto-Caloric Effect, MCE)를 나타낸다. 등온상태시, 자기장의 인가 또는 제거로 MCE 재료의 엔트로피에 변화가 유도된다.
전기열재료는 (일반적으로 단열상태 하에서 측정된) 전기장의 인가 또는 제거시 온도가 변하는 전기열효과(Electro-Caloric Effect, ECE)를 나타낸다. 등온상태시, 전기장의 인가 또는 제거로 ECE 재료의 엔트로피에 변화가 유도된다.
재료에 따른 전기장 또는 자기장의 존재로 인해 한 엔트로피 상태에서 또 다른 엔트로피 상태로 전이가 강요된다. 엔트로피 변화의 크기는 가해진 장의 크기에 의존하며 변화의 신호는 전이 특성에 의존한다. 엔트로피 변화와 관련된 전이가 발생하는 특정 온도는 큐리온도(Tc)로 알려져 있다.
이들 속성들을 나타내는 재료들은 Gd(강장성-상자성 전이), RhFe(자기 반강자성에서 강자성으로 전이), BaTiO3 (강유전체에서 상유전체로 전이), 및 가령(릴랙서 강유전체 행동을 나타내는) P(VDF-TrFE-chlorofluoroethylene)를 포함하나 이에 국한되지 않는다.
기본 자기냉각 사이클
자기장에 노출되는 경우 양의 온도 변화를 나타내는 자기열재료에 대한 기본(비재생) 자기냉각 사이클이 도 1a에 도시되어 있다.
도 1 내지 도 4의 단계들이 수행될 경우, 자기열재료는 이상적으로 도 2a에 도시된 사이클(ABCD)을 따른다. AB와 CD는 각각 자기장 증가 또는 감소로 인한 "단열" 온도변화이며, 도 1a의 단계 1 및 3에 각각 해당한다. BC와 DA는 자기열재료와 교환유체 간의 열교환을 통해 달성되며, 도 1a의 단계 2 및 4에 각각 해당한다. 교환유체는 열교환기를 통해 열을 흡수하거나 외부로 버릴 수 있다. 자기열재료의 단열 온도변화는 ΔT(온냉)로 표시된다.
이 사이클의 최대 구간(Tcold 및 Thot간의 차)은 냉각력(cooling power)이 낮은 '단열' 온도변화(ΔTcold 및 ΔThot)이다. 최대 냉각력은 낮은 구간에서 ΔS·T평균이다(여기서, ΔS는 도 2a에서 CA에 의해 주어진다). 전기열재료에 대해서도 유사한 냉각 사이클이 발생될 수 있다.
자기열(또는 전기열) 재료의 유용한 속성들은 자기장 또는 전기장을 올리고 내리기 위한 맵핑 ΔS(T) 및 ΔT(T)에 의해 특징될 수 있다. 이는 도 2c에 도시되어 있다. 실제로, ΔS 및 ΔT 곡선들은 도 2a에 도시된 (온도 또는 엔트로피에서의) 차 대 낮은 장 및 높은 장 곡선들 간의 온도이다. 이들 ΔS 및 ΔT 곡선들과 해당 T-S 도표는 최적의 냉각 사이클을 설계하는데 이용된다.
능동형 재생 사이클
바클레이의 능동형 재생 사이클은 상술한 기본 자기 싸이클에 대해 상당한 온도구간 범위를 산출한다.
자기장의 인가에 의해 자성 냉각제가 뜨거워지면, 냉각제 재료의 개방 다공성 배열을 통해 흐르는 교환유체가 '열기'를 일단으로 이동시킨다. 냉각제 재료가 자기장의 제거에 의해 냉각되면, 동일한 교환유체는 반대로 움직여 '냉기'를 타단으로 이동시킨다. 교환유체가 AMR의 두 단부들 간에 주기적으로 보내지고, 자기장이 동일한 주기성으로 인가 및 제거되면, AMR의 저온 일단과 고온의 일단 사이에 온도 기울기가 확립된다. 개념적인 아이디어가 도 1b에 도시되어 있다. 그 결과 냉각제를 가로질러 30K(또는 이상의) 상당한 온도 기울기가 발생될 수 있다.
이상화된 AMR의 어느 점에서, 로컬 냉각제 재료, 가해진 장 및 로컬 온도가 실제 로컬 TS(ABCD) 타입의 루프를 결정할 것이다. 그러나, 각 점은 교환유체를 통해 결합되므로 집합적으로 전체 베드(bed)는 도 2b에서 A"B"C'D'A' 사이클에 해당하는 교환유체 결합 캐스케이드를 받는 것으로 생각될 수 있다.
기술상태
바클레이의 AMR 설계는 개방형 다공성 구조를 갖는 자기열재료들로 구성되고, 교환유체는 자기열재료를 서로 관통하며 자기열재료와 열을 교환한다. 단순한 개방형 다공성 구조는 분말 패킹층이며, 이런 패킹층 재생기(US 4,332,135, US 6,526,759) 및 고체 패킹층 재생기 (US 2010/0107654 A1)에 대해 광범위한 연구가 착수되었다. 고온측과 저온측 간에 큰 온도 기울기를 달성하였다.
그러나, 분말층은 여러 가지 단점이 있다. 주요 단점은 대표적으로 고작 0.1Hz에서 1Hz의 낮은 동작속도이다. 동작속도는 교환유체와 자기장이 사이클될 수 있는 주파수(frequency)이다. 낮은 주파수가 와트당 상대적으로 크고 무거우며 고가의 냉각 용액으로 전해진다. 더 높은 주파수에서는, 액체 교환유체를 이용할 경우, 다공성 패킹층 AMR을 가로지르는 큰 압력 강하로 인해 주파수 제한이 일어난다. 압력 강하로 점성이 커지고 따라서 펌핑이 떨어진다. 기체성 교환매질을 이용하는 것이 압력 강하 및 점성 손실을 줄일 수 있으나, 기체의 낮은 열용량으로 인해 이용가능한 냉각력이 제한된다.
분말층의 또 다른 단점은 달성될 수 있는 가장 높은 패킹밀도(packing density)가 (육방밀집구조(HCP), 면심입방구조(FCC)에서) 74%이며, 실제로 실제 달성될 수 있는 패킹밀도는 심지어 더 낮다는 것이다. 기껏해야 자기장 양 중 26%가 자기열재료에 의해서는 채워지지 않는다. 하지만, 비용 및 크기 요건을 충족하고 컴팩트한 자석을 이용한 상업적 방안을 달성하기 위해 자기장의 이용을 최대화하는 것이 중요하다.
더욱이, 상술한 "단열 온도변화"(AB)는 열이 전달되는 자기열재료와 직접적인 접촉하는 교환유체가 있기 때문에 실제로 단열보다 낮다. 따라서, 도 2에 도시된 사이클 ABCD은 도 2에 또한 도시된 사이클 AFCE에 더 유사하다. 전체 ΔT온도변화라기보다, 자기열재료의 변화는 고작 ΔT-δT이다. 따라서, (냉각력과 관련 있는)ΔS는 더 이상 D와 A 간의 엔트로피 차가 아니라 오히려 E와 A 간의 더 작은 차이다. 이상적인 사이클에 더 가깝게 하기 위해, 교환유체와 자기열재료 간의 열용량비가 최소화되는 것이 필요하다. 이는 자기열재료의 패킹밀도를 높이거나, 상대적인 교환유체량을 줄이거나, 자기열재료의 열용량에 대한 교환유체의 열용량을 낮춤으로써 달성될 수 있다.
채널기반의 기하학적 형태들은 AMR의 패킹밀도는 원칙적으로 (자기열재료가 전혀 없는)0%와 (채널이 전혀 없는)100% 사이 임의의 값으로 설정될 수 있기 때문에 패킹층의 제한을 방지한다. 재료의 패킹밀도를 높임으로써 냉각 사이클 모두의 최적화, 즉, 상술한 바와 같이 AF를 AB에 가깝게(또는 CD를 CE에 가깝게) 하고 동시에 자기장 이용을 최대화하면서, 유한한 크기 및 규칙적(이에 따라 낮은 압력의) 채널들을 유지하는 것이 가능해 진다.
동시에 규칙적 채널들은 압력 강하 및 이에 따라 점성 손실을 낮춘다.
많은 채널 기반의 기하학적 형태들이 거론되었다(티신(Tishin), “The magnetocaloric effect and its applications”, IOP publishing 2003, 및 상기 문헌내 참조문헌들).
그러나, 상업용 냉각제 장치에 대한 문제는 적당한 크기의 자석과 컴팩트한 AMR을 이용하면서 AMR의 저온단부와 고온단부 간에 큰 온도 기울기를 달성하는 하는 것이다.
자기열(또는 전기열) 재료는 전이 특성에 따라 최대값이 뾰족하거나 평평하고 넓을 수 있지만 이들의 큐리온도(Tc) 부근에서 가장 큰 ΔT 및 ΔS를 나타낸다(도 2c는 자기열재료에 대해 ~293K에서 피크(ΔS)를 나타낸다). 최적 AMR(또는 AER)의 설계를 위해, AMR(또는 AER)의 전체 길이를 따라 큰 ΔT 및 ΔS를 갖는 재료를 갖는 것이 중요하다. 따라서, 다중재료들이 동작하게 될 온도 범위에 대해 ΔS 및 ΔT가 최적화된 다중재료들이 이용될 것이다. 적절한 자기열재료들의 선택과 AMR(또는 AER) 구조들의 상세한 모델링이 효율적 설계에 도달하는데 매우 중요하다.
동시에 AMR(또는 AER)의 총 냉각력은 교환유체와 고온 및 저온 열교환기들의 동시적 열교환으로 AMR(또는 AER)이 받을 수 있는 초당 사이클(ABCD 또는 AFCE) 회수에 따른다. 따라서, 높은 동작 주파수, 즉, 상술한 사이클의 ABCD(또는 AFCE) 주위로의 빠른 이동이 작고 컴팩트한 방안들에 중요하다.
입력전력 단위 당 실제 냉각력은 손실에 의존하며, AMR(또는 AER)의 자기열재료로부터 교환유체로 냉각제의 얼마나 많은 냉각용량이 방출될 수 있고 결과적으로 AMR(또는 AER)의 저온단부에서 고온에서 저온으로 1회 송풍에 의해 저온 교환기(또는 AMR(또는 AER)의 고온단부 밖으로)로, 저온에서 고온으로 1회 송풍에 의해 열펌핑 적용을 위한 고온 교환기로 전달될 수 있는지의 측정이다.
이상적으로 실제 냉각력과 (입력산출 단위당) 냉각용량은 같아야 한다. 그러나, 실제 냉각력과 (입력산출 단위당) 냉각용량 간의 차를 "총 손실"이라 하며, 총 손실은 다른 많은 기여 요인들으로 이루어진다. 교환유체에서 열의 전달과 관련된 손실을 본 명세서에서 "HE 손실"이라 하며; 이 손실은 교환유체내 온도 기울기과 관련있다. 고온에서 저온으로 AMR을 통한 열의 역류와 관련된 손실을 "역류 손실"이라 한다. 히스트레시스와 관련된 손실을 "히스트레시스 손실"이라 한다. 유체의 펌핑과 관련된 손실을 "점성 손실"이라 하며, 유체에서 점성 소산과 관련 있다. 최적의 AMR 설계는 모든 손실의 최소화를 필요로 한다.
자성열기관에서 큰 물리적 성분은 자석이다. 따라서, 냉각제의 단위용량당 (가령 고패킹밀도를 통해) 자기장 이용을 극대화하는 것이 컴팩트한 방안을 위해 필수적이다.
일반적으로, 본 발명의 객관적인 문제는 기술상태의 상술한 단점을 극복하고 능동형 재생 자기열 또는 전기열 기관의 성능을 향상시킨 AMR(또는 AER)을 제공하는 것이다. 궁극적인 목적은 각각의 열기관을 상업적으로 실행가능하게 만드는 것이다.
특히, 본 발명은:
1. 고성능 다중재료 AMR 또는 AER 장치를 위한 재료 선택 기준을 명시한다.
2. 최적의 채널 기반 냉각기들에 대한 최적의 구조를 명시한다.
3. 손실(HE 손실, 로컬 손실, 역류 손실, 점성 손실)을 최소화하고, 성능을 최대화하며 인가된 장 이용을 최대화하기 위해 채널 기반의 냉각제들에 대한 최적의 기하학적 형태를 명시한다.
4. 손실을 최소화하고 제조를 돕기 위해 아키텍쳐 및 기하학적 형태에 대한 보강을 명시한다.
5. 최적의 구조와 보강의 제작을 위한 방법들을 명시한다.
AMR 또는 AER은 또한 조립하기 쉬어야 하고, 충분한 기계적 강도, 및 신뢰할 수 있는 구조를 가져야 하며, 가공하기 쉬운 재료들을 포함해야 한다.
본 발명은 또한 AMR(또는 AER) 및 능동형 재생 기관의 크기와 비용을 줄이는 것을 목표로 하며 자동화된 고속 및 저오차 제조공정들로 AMR(또는 AER)을 제조하는 것을 목표로 한다.
따라서, 본 발명은 냉각, 열펌핑 및 에너지 재생 적용들에 사용하기 위한 능동형 재생 자기열 또는 전기열 기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드에 관한 것이다.
블레이드는 다른 자기열 또는 전기열재료로 제조된 복수의 소자들로 만들어진 블레이드 바디를 구비하고, 상기 블레이드 바디는 그 길이를 따라 상기 복수의 소자들로 나누어진다. 블레이드는 복수의 전용채널들을 더 포함하며, 상기 채널들은 블레이드 바디를 관통해 블레이드의 길이를 따라 뻗어 있다.
재료의 선택
바람직하기로, 복수의 소자들 각각은 (금속군에 대해 Tc를 오르내리게 종종 변위되는) 하나 이상의 도판트들이 추가로 제공될 수 있고, 특정 원소들의 다양한 비율을 가질 수 있는 바람직하게는 LaFeSi, LaFeSiCo, LaFeSiH, MnPFeAs, MnPFeSi, FeRh, MnAsSb, MnPFeGe, Gd, GdDy, CoMnSi, CoMnGe, 및 GdSiGe 그룹에서 선택된 자기열재료로 제조되고, 특정 원소들의 다양한 비율을 가질 수 있으며, 각 자기열재료는 큐리온도도가 다르고, 각 자기열재료는 그 부피에 대해 20% 이하의 다공성을 갖는다.
적절한 전기열재료는 P(VDF-TrFE-chlorofluoroethylene), PLZT(8/65/35), Pb(Mg1/2Nb2/3)O3-35PbTiO3(PMN-35PT)), BaTiO3, 또는 (NH4)2SO4를 포함한다.
손실을 무시한 이상적인 시스템에서, 평균 냉각측 온도(Tcold)에서, 냉각제로부터 이용가능한 사이클적 냉각에너지는 소정의 인가되 장(B)에 대해 Tcold·ΔScold'로 주어진다(여기서, ΔScold'는 도 2b에서 점 D' 및 A'(또는 실제로 E' 및 A') 사이의 절대 엔트로피 차로 주어진다).
재생 냉각 사이클에서, 평균 Tcold에서 평균 고온측 온도 Thot까지의 이어지는 냉각에 기여하는 재생기의 길이부는 ~ΔTcold·길이/구간이며, 구간은 (AMR 또는 AER의 고온단부와 저온단부 간의) 온도 기울기 Thot-Tcold로 정의되며, 길이는 AMR(또는 AER)의 길이이다. 재생기에 들어가는 교환유체가 적절한 온도 프로파일을 갖는 것으로 가정하면, 이는 간단한 기하학적 논거를 이용해 당업자의 이상적인 시스템에 대해 간단히 입증될 수 있다. 다층 AMR(또는 AER)의 (J) 단위로 총(사이클) 재생기 냉각용량의 제 1 차 평가는 이상적인 다층 구성에서 ΔTcold·ΔScold·Tcold·길이·면적·밀도·패킹밀도/구간에 비례하며, 길이는 재생기의 길이이고, 면적은 재생기의 횡단면적이며, 밀도는 재료의 밀도이고, 패킹밀도는 능동형 냉각제, 즉, 자기열재료 또는 전기열재료가 갖는 %부피이다. 냉각용량과 상기 방정식 간의 비례계수는 0 내지 1 사이에서 변할 수 있다(어떤 특별한 상황하에서 심지어 1 이상이 될 수 있다). 전체 재생기를 따른 선형 온도 프로파일에 대해, 비례계수는 0.5이다.
이 논의는 냉각 응용에 국한되지 않으며 열펌핑 및 에너지 재생 적용에 사용되는 열기관에 적용될 수 있다.
상기 방정식으로부터 재료 속성들을 추출(및 밀도 무시)하는 것은 자기열(또는 전기열) 재료의 평가수치, 간단히 ΔTΔS를 산출한다. 특별한 장치에서 인가된장의 크기는 특히 경제적 관점에서 연관 있고, 다른 세밀한 고안은 인가된 장에 대해 이 값을 정규화하는 것이다. 간략히 하기 위해, ΔS 및 ΔT 모두의 피크값들을 취하면, 평가수치는 다른 재료들을 비교하기 위해 사용될 수 있다. 자기열재료에 대한 핵심 전개들 중 일부가 아래 표에 요약되어 있다.
재료 예시적인 재료 ΔS(1T)(J/kg K) ΔT(1T)(K) 평가수치(J/kg)
1세대 Gd ~2.5 ~3 ~7.5
2세대 LaFe13SiCo 타입 ~5.5 ~2.2 ~12.1
3세대 LaFe13SiH 타입 ~10 ~3.5 ~35
자기열(또는 전기열)효과의 히스테리시스, 속도 또는 근속수명과 같은 고려사항들로 인해 평가 수치가 더 낮은 재료가 선택될 수 있으나 일반적으로 낮은 평가 수치보다 더 높은 평가 수치가 바람직하다.
최대 엔트로피 차(ΔS) 및 최대 ΔT는 큐리온도에서 (또는 부근에서) 발생한다. 큐리온도를 증감하는 다중재료들이 적절한 방식으로 캐스케이드되면, 이들은 블레이드의 고온단부와 저온단부 사이의 온도 기울기에 의해 정의된 온도를 따를 수 있다. 이런 적합한 재료들이 블레이드의 길이를 따라 다양한 온도 지점들에 사용될 수 있을 경우, 자기장(또는 전기장)이 주기적으로 인가되고 교환유체가 주기적으로 블레이드를 통해 펌핑될 경우 총 온도 기울기가 상당히 증가될 수 있다.
더욱이, 단지 큐리온도만을 고려하는 것은 충분치 않다. 복수의 소자들의 재생기 냉각용량은 재생기의 길이를 따라 극대화될 필요가 있다. 게다가 복수의 소자들은 천천히 상승하는 냉각기 냉각용량을 가져야 하며, AMR(또는 AER)의 구간에 비례하고 입력산출에 비례하는 상승 속도가 냉각 사이클을 구동시키는데 필요하다.
로컬 파라미터 면에서 이전 재생기 방정식을 표현하는 재생기의 복수의 소자들 중 주어진 소자의 냉각용량은 상기 소자에 대해 ΔTcold , EL·ΔScold , EL·Tcold , EL·길이EL·면적EL·밀도LOC·패킹밀도EL/구간EL으로 정의되며, 여기서, Tcold , EL·ΔScold , EL·및 ΔTcold , EL는 소자에서 로컬 재료의 로컬 냉각 온도, 엔트로피, 및 '단열' 온도변화이며, 길이EL는 소자의 길이이고, 면적EL은 소자의 횡단면적이며, 밀도LOC는 소자내 로컬재료의 밀도이고, 패킹밀도EL는 로컬소자 패킹밀도(총 부피에 대한 능동형 냉각제의 %부피)이며, 구간EL은 소자를 가로지르는 구간이다. 상기 각 소자를 가로지르는 구간의 합은 재생기를 가로지르는 총 구간이다. 재생기의 각 소자의 냉각용량은 특정 소자를 따라 확립된 로컬 온도 기울기에 비례하는 속도로 상승한다. 온도 기울기가 전체 재생기를 따라 일정하면, 각 소자의 로컬 온도 기울기는 같다. 어쨌든, 전체 재생기의 구간은 복수의 소자들의 구간들의 합이다.
냉각용량 계산을 위해 ΔS 및 ΔT의 절대 값들이 모든 상황에서 이용되는 것에 유의하라. 이는 본 명세서 전체에 걸친 경우인 것으로 이해된다. 실제로, 종종 면적, 밀도 및 패킹밀도는 다수의 소자들에 대해 같거나 유사함에 유의하라; 그러나, 길이는 소자들 간에 상당히 달라질 수 있고, 따라서 소자의 냉각용량을 조정하기 위해 사용될 수 있는 유용한 파라미터이다.
소자들 간의 경계에서, 그리고 인접한 소자가 다른 큐리온도를 갖고 이에 따라 다른 ΔS 및 ΔT 속성을 갖는 다른 재료로 만들어지는 경우, 냉각용량들 간에 완만한 전이가 이상적으로 요구된다. 이는 개개의 소자들의 길이를 조절하거나 적절한 재료 또는 큐리온도를 선택함으로써 달성될 수 있다.
그럼에도 불구하고, Tc가 다른 소자들 간의 변화는 불연속적이며, 준연속 냉각용량만이 달성될 수 있어, 바로 이웃한 소자들 간에 변화는 (업다운 장 변화 모두에 대해) 고작 30%에 불과하다. 소자 경계에서 한 소자에서 다른 소자로 냉각용량의 변화는 따라서 30% 미만이다. 소자내 냉각용량의 최소는 소자의 2개 단부 중 어느 하나에 있다.
가령 도 2c에서 1차 타입의 자료에서 발견된 바와 같은 ΔS 및 ΔT의 급격한 변화는 다른 많은 재료들의 이용을 필요로 할 것이며, 준연속 냉각용량을 보장하기 위해 각 소자에 대한 더 짧은 길이 스케일들이 요구될 것이다.
복수의 소자들 각각을 가로지르는 온도 기울기들이 가능한 한 가까이 매치되는 경우, 소자들 간에 로컬 온도 기울기가 전혀 생성되지 않아 냉각기내 로컬 손실이 최소화된다. 그러나, 냉각기의 단부에서 평평한 온도 기울기 영역을 갖는 것이 또한 바람직할 수 있다.
추가로, 로컬 온도 기울기(장 상승 또는 장 하강)는 Tc가 다르고 따라서 ΔT 곡선이 다른 2개의 재료들 간의 경계면에서 발생할 수 있다. 이는 국소적으로 강화된 역류 또는 만연한 온도 기울기에 대해 국소적으로 열의 순방향 흐름을 유발할 수 있다. 임의의 능동 재생 자기열 열기관의 성능을 방해하는 엔트로피를 발생하는 이런 로컬 온도 기울기를 방지하기 위해, ΔT 곡선은 경계면에서 가능한 한 가까이 매치되어야 한다. 그러나, 도 2c에 도시된 바와 같이, 주어진 온도에서 업다운 장에 대한 ΔT 곡선들은 매우 다를 수 있고 따라서 비록 바람직하지만 이런 매칭이 완전히 가능하지 않다. 그러므로, 다른 재료들 간에 낮은 열전도도 격리판들이 이용될 수 있다. 이들 격리판들은 (냉각력은 역류가 그러하듯이 총 스페이서 길이에 따라 선형으로 떨어지기 때문에) 전반적인 역류 손실 대 냉각력의 비율에 거의 영향을 받지 않으나, '로컬 손실' 엔트로피 발생을 줄인다.
본 발명은 (가돌리늄보다 더 큰) 평가수치를 갖는 재료들이 이용되고 냉각용량이 AMR(또는 AER)의 길이를 따라 최대화되도록 다중재료 블레이드에서 복수의 소자들에 대한 재료선택 기준에 관한 것이다. 추가로, 냉각용량은 2개의 단부들 중 한 단부에 위치된 임의의 소자에서 가장 낮은 냉각용량을 가지며 구간에 비례하는 속도로 재생기의 길이 및 재생기의 입력산출에 따라 바로 이웃한 소자들 간에 거의 일정해야(30% 이내 및 바람직하게는 더 낮아야) 한다.
더욱이, 우선순위 순서대로, 저온에서 고온으로 AMR(또는 AER)의 길이를 따라 큐리온도(Tc)는 증가해야 하고, 냉각용량은 (재료 Tc의 정확한 선택, 패킹밀도, 및 소자 길이에 의해) (업다운 장 변화 모두에 대해) 재료 경계면에서 매치되어야 하며, (업다운 장 변화 모두에 대해) 재료 경계면에서 ΔT 곡선들 간의 차는 최소화되어야 한다. 상술한 재료 선택기준은 평행 플레이트(도 4), 평행 플레이트의 스택, 90°회전된 평행 플레이트들의 스택(도 3), 다공플레이트(도 9), 다공플레이트들의 스택(도 8), 및 이의 나선형(도 16) 및 (본 명세서에 기술된) 보강 변형들을 포함하나 이에 국한되지 않는 (하기에 더 상세히 기술된) 모든 채널 아키텍쳐들에 적용된다.
게다가, 본 발명은 다른 재료들로 된 소자들 간에 로컬 손실을 최소화하고 로컬 역류를 최소화하도록 치수맞춰진 AMR(또는 AER) 설계에서 로컬 손실을 줄이기 위해 본 명세서에 소개된 스페이서들에 관한 것이다. 전체 온도 기울기(구간/길이) 고려사항들보다 로컬 온도 기울기가 (50㎛에서 1000㎛ 범위에 있는 바람직한 두께로) 이들을 치수화하는데 이용된다. 이런 스페이서들은 낮은 열전도(바람직하게는 0.01에서 2W/mK)도 재료로 제조되어야 하고, 개방된 다공성 구조를 통해서 또는 완전히 채널을 막지 않도록 형성된 이웃한 소자들 간에 교환 유체의 흐름을 허용해야 한다. 자기열재료의 상기 배열은 본 발명에 따른 모든 채널기반 구조들에 유효하다.
바람직하기로, 각각의 복수의 소자들은 0.1 W/mK에서 30 W/mK 범위, 바람직하게는 0.1 W/mK에서 10 W/mK 범위, 더 바람직하게는 0.1 W/mK에서 5 W/mK 범위, 가장 바람직하게는 0.1 W/mK에서 2 W/mK 범위의 열전도도를 갖는다. 복수의 소자들의 낮은 열전도도는 AMR(또는 AER)에서 소위 역류 손실을 최소화한다. 역류 손실은 자기열 또는 전기열 기관에 이용될 경우 블레이드의 고온 단부에서 블레이드의 저온 단부로 자연스럽게 흐르는 열이다. 낮은 열전도도를 달성하기 위해, 적절한 재료들이 이용되어야 한다. 또한, 복수의 소자들은 가령 다른 자기열 재료들의 압출 결합분말들로 각각 제조되는 경우, 낮은 열전도도 결합제가 바람직하게 이용된다. 결합제는 바람직하게는 자기열재료의 열전도도보다 더 낮거나 많아야 같은 열전도도를 가져야 한다.
상술한 재료들(및 이들의 변형들)은 큰 자기열(또는 전기열)효과 및 높은 수치평가를 나타내고 낮은 열전도도를 갖도록 선택될 수 있으며, 적절한 길이 스케일로 제조될 수 있다. 재료들은 소정의 온도 범위에서 큐리온도(Tc)를 갖는다. 재료들은 재생 사이클에서 확립되는 총 온도 기울기를 증가시키기 위해 블레이드의 길이를 따라 다른 큐리온도들을 소자들에 제공하는데 적합하다. 더욱이, 이들 재료들의 냉각용량은 최적 방안을 제공하도록 매치될 수 있다.
아키텍쳐 및 기하학적 형태
블레이드 바디를 통해 전용채널들을 갖는 아키텍쳐는 충전층 AMR에서 발생하는 큰 압력 손실을 방지하는데 일조한다. 진보된 AMR(또는 AER) 설계의 목적은 손실을 최소화하면서 최대 냉각을 제공하는 것이다. 상술한 기준에 따라 재료를 선택하는 것은 AMR(또는 AER)의 냉각 잠재능력을 극대화한다. 그러나, 손실을 최소화하는 것도 더 검사를 필요로 한다.
AMR(또는 AER) 시스템의 손실은 냉각량을 달성하는데 필요한 입력산출량을 증가시키고 이에 따라 AMR 장치의 효율을 떨어뜨린다. 손실을 최소화하기 위해 AMR(또는 AER)의 아키텍쳐의 정확한 치수를 재는 것이 요구된다.
앞서 요약한 바와 같이, AMR(또는 AER)과 관련된 원칙적인 손실들 중 일부는 HE 손실, 역류 손실, 점성 손실, 로컬 손실 및 히스테리 손실이다. 역류 손실은 낮은 열전도도의 냉각제를 이용해 최소화될 수 있고, 로컬 손실을 최소화하기 위해 스페이서들이 다중재료 블레이드에 이용될 수 있음, 낮은 히스트레시스 재료의 사용은 히스테리시스 손실을 최소화한다. 일반적으로 채널 아키텍쳐는 점성 손실을 줄인다. 그러나, 채널 AMR(또는 AER) 시스템에서 지배적인 손실은 냉각제로부터 교환유체로 이에 따라 열 교환기로 열을 절달하면서 유체에서 온도 기울기와 관련된 HE 손실이다.
예컨대, 음의 단열 온도변화 후, 고온 유체가 저온 냉각제를 마주치며 급격한 열교환이 발생한다(도 2a에서 단계 CE). 그런 후, 유체는 고온에서 저온으로 불어지고, 더 고온의 유체가 더 저온의 재료를 향해 밀려지며, 유체로부터 재료로 열을 전달하고 이에 따라 냉각제 재료를 가열시킨다(도 2a에서 단계 EA). 열전달 속도는 완전한(또는 소정의) 냉각제 열교환에 걸리는 시간을 결정한다(이는 통상적으로 시스템의 최대 동작 주파수를 제한한다). 벽에 나란한 유체는 냉각제와 열평형이다; 그러나, 채널의 중심에 있는 유체는 더 따뜻하다. 그러므로, 저온 송풍의 초기와는 별도로, AMR의 저온 단부를 떠난 유체의 평균 온도는 AMR의 저온 단부보다 더 따뜻하다. 더 따뜻한 유체가 있음으로 인해 교환유체의 전체 냉각능력이 약화되어질 것이기 때문에 유체 채널내 온도 기울기는 냉각제의 냉각용량의 대부분이 냉각 교환기에서 실제로 얼마나 이용될 수 있는지 결정한다. 냉각용량의 이런 저하를 HE 손실이라 한다. 유사한 효과가 고온 송풍에서도 발생한다.
고정된 안정 평균 구간과 함께 AMR 내부의 소정 길이의 채널을 가로지르는 압력 강하(또는 점성 손실)를 고정하면, 냉각제에서 유체로의 열전달(또는 그 반대도 또한 같음)은 채널 직경과 더불어 비율에 따라 증감한다(즉, 채널 직경이 줄면, 열전달도 준다). HE 손실도 또한 채널 직경이 감소함에 따라 떨어지지만, 열전달 속도보다 더 빠른 속도로 (스케일링의 더 큰 배율로) 떨어진다. 채널 직경을 줄임으로써, HE 손실은 임의의 작은 량으로 스케일될 수 있다. 그러나, 열전달 속도도 또한 떨어지므로, 동작 주파수의 상한을 제한한다. 열전달 속도는 유체에서 냉각제로(또는 그 반대로) 전달되는 초당 열의 양이다. 감소된 열전달 속도를 보상하기 위해, 이동되는 열의 양은 (가령 더 얇은 플레이트들을 이용해) 냉각제의 양을 줄임으로써 감소될 수 있다.
그러나, 냉각제의 양을 줄임으로써 AMR(또는 AER)에서 유체 대 냉각제의 패킹비율이 줄어, CD로부터 CE가 발산하고 전체 패킹밀도가 감소된다. 동시에 적은 냉각제 길이 스케일들은 제조하기가 더 어렵다.
따라서, AMR은 (1Hz-20Hz 범위의) 타겟 동작 주파수에 대해 (AMR 길이, 교환 유체의 물리적 속성 및 유속뿐만 아니라 채널 직경에 의해 결정된) 점성 손실, (길이, 구간, 냉각제와 유체의 열전도도, 액체 및 냉각제의 부피에 의해 결정된) 역류 손실, 및 (채널폭, 교환유체의 속성, 유속, 냉각제의 ΔS 및 ΔT, 액체 및 냉각제의 부피, AMR의 길이 및 구간에 의해 결정된) HE 손실의 합이 최소화되게 치수 재어져야 한다. 바람직한 방안은 (서로 10의 계수 내에서) 필적할만한 크기가 되는 3개 손실들을 갖는다.
나선형을 포함한 소자내 평행 플레이트 채널에 대해, 최적의 플레이트 두께는 약 50㎛에서 1500㎛, 바람직하게는 60㎛에서 700㎛, 더 바람직하게는 70㎛에서 700㎛, 더욱더 바람직하게는 70㎛에서 350㎛ 범위에 있어야 한다. 채널 간격은 두께가 5㎛에서 100㎛, 더 바람직하게는 10㎛에서 75㎛, 더욱더 바람직하게는 15㎛에서 60㎛ 범위에 있어야 한다.
다공플레이트에 대해, 구멍들 간의 최적 거리는 60㎛에서 2000㎛, 바람직하게는 80㎛에서 1000㎛, 더 바람직하게는 100㎛에서 650㎛ 범위에 있어야 한다. 구멍의 직경은 10㎛에서 150㎛, 더 바람직하게는 15㎛에서 110㎛, 더욱더 바람직하게는 20㎛에서 85㎛ 범위에 있어야 한다.
주어진 값들은 점성 손실, 역류 손실 및 HE 손실 간에 균형을 달성한다.
주어진 길이 스케일들은 사용된 자기열재료에 다소 따른다.
다중재료 블레이드의 제 1 예에서, 복수의 소자들 각각은 복수의 플레이트들에 의해 형성되고, 상기 복수의 플레이트들은 서로의 상단에 적층된다. 더욱이, 블레이드 바디에서 복수의 소자들 각각은 인접 소자들에 대해 바람직하게는 90°로 회전된다. 이 배열은 교환유체의 혼합을 지지한다. 즉, 전용채널을 가로질러 열 균일성을 증가시키고 능동 재생 자기열 열기관에 사용될 경우 HE 손실을 줄인다. 게다가, 이 배열은 블레이드의 길이를 따라 연속으로 나란한 채널이 필요치 않기 때문에 완전한 어셈블리 제작의 신뢰도를 향상시킨다. 정확히 나란한 어셈블리가 요구되는 길이는 전체 블레이드라기보다 단일 소자의 길이로 줄어든다.
바람직하기로, 플레이트들은 바람직하게는 잘 알려진 잉크젯 프린팅 기술, 스텐실 또는 스크린 프린팅, 포토리소그래피 또는 도팅(dotting)이나 분사 시스템에 의한 직접 도포로 프린트된 적어도 하나의 스페이서에 의해 서로 이격되며, 복수의 플레이트들 간의 이격은 복수의 전용채널들을 형성한다.
상기 잘 알려진 기술들을 이용하고 그 결과로 제조비용을 줄임으로써, 상업용 방안이 실현가능해진다. 제조가 더 간단하고, 더 빠르고 더 재현가능해진다. 이런 상용제품(COTS) 장비는 제조공정에 이용될 수 있고, 많은 제조단계들이 자동화될 수 있다.
본 발명은 또한 능동형 재생 자기열 열기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드에 관한 것이다. 블레이드는 다른 자기열재료로 제조된 복수의 소자들로 만들어진 블레이드 바디를 구비하고, 상기 블레이드 바디는 길이를 따라 상기 복수의 소자들로 나누어진다. 블레이드는 블레이드 바디를 관통하고 블레이드의 길이를 따라 뻗어 있는 복수의 전용채널들을 더 구비한다. 상기 복수의 전용채널들 각각은 구배진 형태를 갖고 있어, 복수의 소자들이 나선형 블레이드 바디를 형성할 수 있다.
재생 장치에서, 본 발명에 따른 블레이드 바디는 냉각력의 단위 량을 산출할 수 있다. 다수의 블레이드들을 결합함으로써, 장치의 효율을 저하시키지 않고도 냉각력이 증가될 수 있다. 블레이드의 결합은 가령 회전 자기 시스템으로 구현될 수 있고, 여기서 브레이드는 원으로 배열되고 자기장을 통해 회전된다. 상술된 바와 같이, 자기장 이용이 중요하다. 입방형 블레이드들이 원으로 함께 패킹되면, 패킹밀도와 이에 따라 자기장 이용이 이상적이지 않게 된다. 그러나, 블레이드 바디 또는 상기 블레이드 바디를 구성하는 소자들의 나선형 설계는 회전 자기 시스템에서 일정한 채널폭을 갖는 완벽한 방사형 기하학적 형태로 다수의 블레이들을 함께 패킹할 가능성을 제공한다. 이는 다수의 블레이드들이 완전한 원으로 어셈블리될 수 있는 것을 의미하며, 다른 블레이드들 및 블레이드 소자들내 플레이트들 간의 일정한 간격이 유지될 수 있다. 이 배열로 장 이용이 30% 더 나아진다. 이에 따라, 더 작고 비싸지 않은 자석들이 이용될 수 있다.
유체가 흐를 수 있는 전용채널들로 인해, 다공성이 낮은 자기열재료들이 이용될 수 있다. 재료의 다공성은 일반적으로 분산된 구멍들에 의해 야기되며 재료 속성이다. 다공성은 총 부피에 대한 자기열재료내 공극들(구멍들)의 부피로 이해될 수 있다. 이와 대조적으로, 자기열재료에서 활발히 발생될 수 있는 전용채널들은 다공성이 있는 것으로 생각하지 않는다.
본 발명은 또한 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드에 관한 것이다. 블레이드는 다른 자기열재료로 제조된 복수의 소자들로 만들어진 블레이드 바디를 구비하고, 상기 블레이드 바디는 길이를 따라 상기 복수의 소자들로 나누어진다. 블레이드는 블레이드 바디를 관통하고 블레이드의 길이를 따라 뻗어 있는 복수의 전용채널들을 더 구비한다. 전용채널에 수직한 블레이드 바디의 횡단면은 기설정된 방향을 따라 다공성이 다른 복수의 영역들을 가지며, 인접한 영역들의 경계면에서 다공성은 대략 적어도 10%씩 변한다.
다공성이 더 큰 영역들은 가령 개방형 다공 구조가 있다면 복수의 전용채널들로서 행동하며(그리고 이들은 또한 스페이서들처럼 행동하며), 다공성이 더 낮은 영역들은 더 조밀한 자기열재료로 제조된다. 그러나, 더 큰 다공성재료 이외에 전용채널들이 제공될 수 있다. 다공성이 더 큰 영역들은 또한 교환유체에 대한 혼합구조로서 기능할 수 있다. 블레이드가 능동형 재생 자기열 열기관에 사용될 경우 다공성 영역들의 혼합 기능은 HE 손실을 줄인다. 다공성이 더 큰 영역들은 이들의 형태에 맞게 변형할 수 있는 가요성 스폰지형 구조들로 형성될 수 있다. 다공성이 더 큰 영역들 및 다공성이 더 낮은 영역들은 복수의 소자들 각각에 대해 마찬가지로 배열될 수 있거나 각 소자에 대해 다르게 배열될 수 있다.
재료내 다공성을 측정하기 위해 여러 가지 공지의 방법들, 가령 광학적 방법(즉, 현미경 아래에서 볼 수 있는 구멍 영역 대 재료의 영역을 결정), 습식 방법(즉, 진공하에서 구멍을 우선적으로 젖게 하는 유체에 다공 샘플을 침지함) 또는 물 증발방법(즉, 구멍 부피는 포화된 샘플의 무게 빼기 물의 밀도를 고려해 건조된 샘플의 무게와 같음)이 이용될 수 있다.
자기열재료에 있는 임의의 구멍들은 전용채널들과 같이 전체 블레이드 바디를 통해 이어지지 않으나 대개는 오히려 짧다. 천연 구멍들은 일반적으로 길이가 0.01㎛에서 10㎛이며, 오히려 직경이 더 작다. 즉, 0.01㎛에서 50㎛ 크기이다. 전용채널들과 대조적으로, 구멍들은 자기열재료에서 랜덤하게 분포된다.
자기열재료의 다공성이 더 낮을수록 복수의 소자들 각각의 패킹밀도는 더 높아지게 제조될 수 있다. 패킹밀도는 자기열재료 대 복수의 소자들 중 하나의 총 부피, 즉, 전용채너들의 부피를 포함한 부피의 비로 정의된다.
가장 큰 양의 교환유체가 자기열재료가 아니라 전용채널을 통해 흐르는 것이 바람직하다. 그런 후 복수의 소자들의 자기열재료에 대해 더 높은 밀도가 달성될 수 있다. 전용채널에서 더 낮은 압력과 점성 손실들이 또한 있다.
바람직하기로, 소자들 간의 다공 스페이서는 부피에 대해 25%보다 더 큰 다공성을 갖는 다공재료이며, 다공재료는 바람직하게는 콜라겐-클리코사미노글리칸, 콜라겐 폼, 폴리테트라플루오로에틸렌, 스폰텍스 또는 하이드록시아파타이트 세라믹 중 적어도 하나이다. 이 경우, 스페이서는 추가로 교환유체에 대한 혼합구조로서 동작하며 HE 손실을 줄이는데 일조한다. 스페이서는 또한 플레이트 상의 불균일에도 적용될 수 있어, 플레이트의 평평 요건이 줄어든다.
다중재료 블레이드의 다른 예에서, 복수의 소자들 각각은 다공플레이트에 의해 형성되며, 다공플레이트에서 복수의 구멍들은 복수의 전용채널들을 형성한다.
이 예는 충분히 미세한 구멍들을 제조하는데 있어 문제를 전가하기는 하지만 더 두꺼운 플레이트들이 앞서 언급한 제조 한계들을 극복하는데 이용되게 한다. 이 경우, 소자는 동일한 큐리온도(Tc)를 갖는 하나의(또는 하나 이상의) 다공플레이트인 것으로 간주될 수 있다.
평행한 플레이트의 기하학적 형태로, 가장 바람직한 플레이트 두께는 90㎛에서 400㎛ 범위 내에 있다. 이들 치수는 소정 재료에서 정확하거나 신뢰할 수 있게 제조하기 어려울 수 있다. 다공플레이트를 이용하면, 플레이트 두께는 (크기 차수만큼) 상당히 더 많아질 수 있고, 상한은 상술한 냉각용량을 극대화하는데 필요한 "길이"와 관련된 재료선택기준에 의해 결정된다.
바람직하기로, 복수의 구멍들은 복수의 원형 및/또는 모난 구멍들이며, 복수의 구멍들 각각의 직경 또는 폭은 10㎛에서 150㎛, 바람직하게는 15㎛에서 110㎛, 또는 더 바람직하게는 20㎛에서 85㎛ 범위에 있다. 복수의 구멍들 중 인접한 구멍들 간의 거리는 60㎛에서 2000㎛, 바람직하게는 80㎛에서 1000㎛, 더 바람직하게는 80㎛에서 600㎛ 또는 선택적으로 100㎛에서 650㎛범위에 있다. 주어진 길이 스케일은 다시 사용된 자기열재료에 다소 의존한다. 그러나, 바람직한 값들은 가장 낮은 HE 손실과 능동형 재생 자기열 열기관에서 플레이트로부터 교환유체로 최상의 열전달을 달성한다.
보강
HE 손실 최소화는 스페이서, 플레이트 또는 구멍 면에서 상대적으로 제조의 작은 길이 스케일에 필요하다. 소정의 냉각제 재료에 대해 이런 작은 길이 스케일들로의 제조하는 것이 문제가 될 수 있다.
본 발명의 다중재료 블레이드가 능동형 재생 자기열 열기관에 이용될 경우 교환유체를 혼합시키기 위해 전용채널에 특별히 설계된 혼합구조의 사용은 HE 손실을 감소시킨다. 압력 손실이 HE 손실의 감소가 발생하기보다 덜 빠르게 증가하도록 교환유체의 혼합이 실행되어야 한다. 혼합구조의 추가로 전용채널을 가로질러 그리고 유체가 가장 빨리 흐르는 채널의 중심에서 가장 중요하게 열 균일성이 높아지기 때문에 HE 손실은 상당히 줄어들 수 있다. 더욱이, 채널 중심에서 온도를 균일하게 하는 것은 벽에 더 높은 온도 기울기를 필요로 하며, 이로써 열전달 속도가 증가되고 동작 주파수가 증가되게 한다.
교환유체가 채널을 통해 구동될 경우, (혼합구조와 더불어 또는 혼합구조 없이도) 소수성 코팅층을 전용채널에 추가함으로써 교환유체와 자기열재료 간에 슬립 경계조건이 발생하게 할 수 있다. 따라서, 교환유체의 단위 부피당, HE 손실은 10-20%(또는 심지어 그 이상)씩 감소될 수 있다. 소수성 코팅층의 완만함을 증가시키기 위해 얇은 유리 또는 플라스틱 또는 유사한 층이 소수성 코팅층 아래에 더 추가될 수 있다. 완만함은 슬립 경계조건의 발생을 지지한다.
일반적으로, 블레이드의 HE 손실을 줄이는 주요 결과는 전용채널 크기, 구멍 크기 또는 스페이서 크기가 제조 공정을 간단히 하는 절대적인 면들에서 증가될 수 있다는 것이다. 이런 치수 증가는 또한 고정된 HE 손실 수준에 대한 압력 및 펌프 손실을 낮출 수 있다.
대안으로 블레이드 바디를 구성하는 각 요소내 복수의 소자들의 길이 스케일(플레이트 두께 또는 구멍들 간의 간격)도 또한 HE 손실을 일정한 수준으로 유지하면서 제조를 돕기 위해 증가될 수 있다.
마지막으로, 심지어 동작 주파수도 HE 손실을 증가시키지 않으며 높아질 수 있다.
이런 HE 손실 저하는 많은 방식들로 달성될 수 있다.
바람직하기로, 유체혼합구조로서 복수의 플레이트들 각각의 적어도 상단에 표면 조직이 제공되고/제공되거나 소수성 코팅층이 복수의 플레이트들 각각에 제공되며, 바람직하게는 유리 또는 플라스틱 층이 각 소수성 코팅층 아래에 제공된다. 표면 조직의 추가는 전용채널을 가로지르는 열 균일성을 증가시키고 블레이드가 능동형 재생 자기열 열기관에 사용될 경우 HE 손실을 줄인다. 소수성 코팅층은 표면과 교환유체 간에 슬립 경계조건을 만듦으로써 HE 손실을 줄인다. 유리 또는 플라스틱 층은 코팅층이 도포되기 전에 플레이트의 완만함을 높일 수 있다. 코팅층은 또한 완만해질 수 있고, 이에 따라 더 효과적일 수 있다.
바람직하기로, 표면 조직은 잉크젯 프린팅 기술에 의해 프린트되거나 복수의 플레이트들에 접착되는 샌드 또는 등가의 샌드형의 거친 재료들로 형성된다. 양 방안들은 달성하기에 간단하고 필요한 기계적 안정성과 더불어 저가의 방안이다.
바람직하기로, 대칭 브레이커(symmetry breaker)가 유체혼합구조로서 복수의 구멍들 또는 채널들에 삽입되고/삽입되거나 복수의 구멍들 각각의 내벽에 소수성 코팅층이 제공되며, 상기 코팅층은 바람직하게는 유리 또는 플라스틱 층의 상단에 있다.
혼합구조는 능동형 재생 자기열 열기관에서 교환유체를 혼합하기 위한 것이며, 전용채널에서 교환유체의 열 균일성을 높인다. 그 결과로, HE 손실이 줄어든다. 또한 소수성 코팅층은 채널 표면과 교환유체 간에 슬립 조건이 형성되기 때문에 HE 손실을 줄이는데 일조한다.
대안으로, 이런 대칭 블레이커, 거친 표면 또는 소수성 슬립층들은 HE 손실을 높이지 않으면서 자기열재료에 따라 제조하기 더 쉬울 수 있는 더 큰 구멍을 가능하게 할 수 있다.
모든 예에서, 능동형 재생 자기열 열기관에서 복수의 소자들의 경계면에서 로컬 온도 기울기를 보상하기 위해, 바람직하기로 복수의 소자들 중 인접한 소자들 간에 격리판들이 제공된다.
본 발명의 능동형 다중재료 블레이드는 또한 전기열 열기관에도 적용될 수 있다. AMR 전달용 상술한 최적의 설계 원리들은 (최종 발생한 기하학적 형태 중 일부가 다를 것이나) 전기열 열기관 전달용 AER에도 동일하다.
열기관에 사용하기 위한 본 발명의 다중재료 블레이드는 (상기 열기관을 이용해) 열펌핑, 폐열로부터 에너지 재생뿐만 아니라 냉각 및 냉동에 의도된 응용들에도 적용될 수 있다.
제조
본 발명은 또한 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 다른 자기열재료 또는 전기열재료로 제조된 복수의 소자들로부터 블레이드 바디를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 소자들은 상기 블레이드 바디의 길이를 따라 나누어진다. 상기 방법은 또한 상기 블레이드 바디를 관통하고 블레이드 바디의 길이를 따라 뻗어 있는 복수의 전용채널들을 형성하는 단계 및 상기 복수의 전용채널들 각각에 유체 혼합구조 또는 소수성 코팅층을 제공하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은 능동형 재생 자기열 열기관에서 AMR로서 사용될 수 있는 다중재료 블레이드를 제조하게 달성되며, 시스템에서 HE 손실을 줄이는 면에서 특히 향상된다.
본 발명은 또한 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 다른 자기열재료 또는 전기열재료로 제조된 복수의 소자들로부터 블레이드 바디를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 소자들은 상기 블레이드 바디의 길이를 따라 나누어진다. 상기 방법은 또한 상기 블레이드 바디를 관통하고 블레이드 바디의 길이를 따라 뻗어 있는 복수의 전용채널들을 형성하는 단계를 포함하고, 복수의 소자들 각각은 서로의 상단에 복수의 플레이트들을 적층함으로써 형성되며, 상기 복수의 플레이트들은 잉크젯 프린팅 기술(또는 스텐실/스크린 프린팅, 포토리소그래피, 또는 도팅이나 젯팅 시스템에 의한 직접 도포)로 프린트된 적어도 하나의 스페이서에 의해 서로 이격되고, 복수의 플레이트들을 함께 고정 및/또는 접착하며, 상기 복수의 플레이트들 각각은 복수의 플레이트들을 형성하기 위해 프레임에서 자기열재료 또는 전기열재료로 제조된 서브플레이트들을 정렬하고, 상기 서브플레이트들에 스트립 및/또는 도트를 도포하고, 정렬된 서브플레이트들 및 프레임을 소성함으로써 형성된다. 상기 방법은 자동화된 저가의 제조 공정들과 호환될 수 있다. 가격 경쟁력 있으며 상업적으로 실행가능한 재생 열기관이 가능해진다.
상기 방법은 더한 제조 단계들, 특히 본 문헌에 기술된 다중재료 블레이드의 임의의 이점적인 구조 및 속성을 이루거나 달성하는 단계들을 포함할 수 있다. 다중재료 블레이드의 다른 예들 및 구조들은 이점적인 특징들의 조합을 달성하기 위해 더 결합될 수 있다. 예컨대, 모든 상술한 다중재료 블레이드들은 나선형 블레이드 설계를 달성하기 위해 구배진 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 내용에 포함됨.
하기에서, 본 발명은 첨부도면을 참조로 더 상세히 설명한다:
도 1a는 자기열효과가가 간단한 자기열기관에서 어떻에 이용될 수 있는지를 도시한 것이다.
도 1b는 재생 자기열기관이 어떻게 동작하는 지를 나타낸 것이다.
도 2a는 자기 냉각제의 온도 대 엔트로피 사이클을 도시한 것이다.
도 2b는 AMR이 이상적으로 흐르는 온도 대 엔트로피 사이클을 도시한 것이다.
도 2c는 자기 냉각제의 예시적인 ΔS 및 ΔT 속성들을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중재료 블레이드를 도시한 것이다.
도 4는 제 1 실시예에 따른 다중재료 블레이드의 복수의 소자들 중 하나를 도시한 것이다.
도 5는 제 1 실시예에 따른 다중재료 블레이드의 혼합 구조를 도시한 것이다.
도 6은 제 1 실시예에 따른 다중재료 블레이드의 혼합 구조를 도시한 것이다.
도 7은 제 1 실시예에 따른 다중재료 블레이드의 복수의 소자들 중 하나를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중재료 블레이드를 도시한 것이다.
도 9는 제 2 실시예에 따른 다중재료 블레이드의 복수의 소자들 중 하나를 도시한 것이다.
도 10은 제 2 실시예에 따른 다중재료 블레이드를 도시한 것이다.
도 11은 제 2 실시예에 따른 다중재료 블레이드의 혼합 구조를 도시한 것이다.
도 12는 제 2 실시예에 따른 다중재료 블레이드의 혼합 구조를 도시한 것이다.
도 13은 제 2 실시예에 따른 다중재료 블레이드를 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 다중재료 블레이드의 전기열 소자를 도시한 것이다.
도 15는 제 3 실시예에 따른 다중재료 블레이드의 복수의 소자들 중 하나를 도시한 것이다.
도 16은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 다중재료 블레이드의 소용돌이형 설계를 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중재료 블레이드의 제조단계들을 도시한 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 다중재료 블레이드는 다른 자기열 또는 전기열재료로 제조된 복수의 소자들(2)로 만들어진 블레이드 바디(1)를 구비한다. 블레이드 바디는 길이를 따라 복수의 소자들(2)로 나누어진다. 블레이드 바디(1)를 통해 복수의 전용채널들(3)이 이어지고, 상기 채널들은 블레이드의 전체 길이를 따라 뻗어 있다. 복수의 전용채널들(3)은 블레이드 바디(1)를 관통해, 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에서 교환유체가 상기 전용채널들(3)을 통해 블레이드의 일단에서 타단까지 펌핑될 수 있다. 이어서, 본 발명은 조합한 이점적인 특징들을 달성하기 위해 다중재료 블레이드에 대한 몇 가지 예들과 설계들을 제시할 것이다. 몇가지 원리들이 모든 예들에 유효하나, 동일한 세부내용을 또다시 반복하지 않는다.
도 3은 능동형 재생 자기열 열기관에 이용될 수 있는 본 발명에 따른 다중재료 블레이드의 제 1 예를 도시한 것이다. 도 3에서 복수의 소자들(2) 각각은 스태킹 기술에 의해 제조되며, 소자들(2)은 서로 인접 배열되고 블레이드 바디(1)를 형성하기 위해 함께 고정 및/또는 접착된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 소자들(2) 각각은 다시 복수의 플레이트들(4)로 구성되며, 상기 플레이트들은 서로 위에 적층되고 스페이서(5)에 의해 이격된다. 스페이서(5)는 명백히 인접한 플레이트들(4) 간에 갭을 형성하고, 소자들(2) 각각을 통해 그리고 전체 블레이드 바디(1)를 통해 전용채널들(3)을 이룬다.
각 플레이트(4)는 자기열재료로 제조되고, 한 소자(2)의 플레이트들은 바람직하게는 동일한 재료로 제조된다. 그러나, 또한 소자(2)의 플레이트들(4)에 대한 재료의 변경도 이용될 수 있다. 재료의 바람직한 그룹은 LaFeSi, LaFeSiCo, LaFeSiH, MnPFeAs, MnPFeSi, MnAsSb, MnPFeGe, Gd, GdDy, CoMnSi, CoMnGe, 및 GdSiGe이며, 이들은 진술된 소자들의 다양한 도판트 또는 비율을 포함할 수 있다. 복수의 소자들(2) 각각은 다른 소자들에 비해 적어도 하나의 다른 자기열재료를 포함하거나, 큐리온도(Tc)가 다른 적어도 하나의 재료를 포함한다. 큐리온도 차는 가령 동일한 재료의 다른 도핑에 의해 달성될 수 있다.
각 플레이트(4)는 두께가 약 50㎛에서 1500㎛, 바람직하게는 70㎛에서 700㎛, 더 바람직하게는 90㎛에서 400㎛이다. 값은 사용된 자기열재료에 따라 약간 의존한다. 각 소자(2)의 플레이트들(4)은 도 4에 도시된 바와 같이 모두 크기와 형태가 같을 수 있으나, 또한 가령 블레이드의 곡률을 실행하기 위해, 서로 다를 수 있다. 나선형 블레이드 바디를 형성하려면, 모든 곡률들은 동일하다.
플레이트들(4)이 직사각형 행태를 갖게 도 4에 도시되어 있으나, 이는 전혀 제한이 아니며, 정사각형, 삼각형 또는 원형과 같은 다른 형태들도 상상될 수 있다. 플레이트들(4)이 또한 평평한 것으로 도시되어 있으나, 도 16에 대해 후술된 바와 같이, 플레이트들(4)은 또한 이들의 표면들 중 어느 하나의 곡률을 나타낼 수 있다. 곡률은 볼록 또는 오목일 수 있다.
플레이트들(4)은 압출 기술로 제조될 수 있으며, 자기열 분말들은 어떤 종류의 접합제에 의해 함께 결합되어 고체플레이트(4)를 형성한다. 본래 플레이트들(4)은 하나의 자기열재료 또는 자기열재료들의 합금으로 된 고체 블록들로 제조될 수 있다.
어떤 경우, 플레이트들(4)은 0.1 W/mK에서 10 W/mK 범위, 바람직하게는 0.1 W/mK에서 5 W/mK 범위, 더 바람직하게는 0.1 W/mK에서 2 W/mK 범위로 가능한 한 낮은 열전도도를 가질 수 있다. 그런 후 또한 복수의 소자들(2) 각각은 낮은 열전도도를 갖게 된다. 플레이트들(4)이 접합제와 함께 혼합된 압출분말로 제조되는 경우, 접합제들은 자기열재료 이하의 열전도도를 가져야 한다. 따라서, 접합제용으로 플라스틱과 같은 재료들이 금속에 바람직하다. 플레이트(4)와 복수의 소자들(2)의 각각 낮은 열전도도는 다중재료 블레이드를 통한 열의 역류에 의해 야기되는 능동형 재생 자기열 열기관에서의 손실을 최소화한다. 복수의 소자들(2) 중 인접한 소자들 간에 격리판(2)은 총 냉각력의 %로서 역류를 줄이지 못하는 것에 유의하라. 그러나, 복수의 소자들(2) 중 인접한 소자들간의 격리판은 조립목적으로 그리고 인접한 재료들 간에 로컬 온도 기울기를 줄이는데 사용될 수 있다.
블레이드 바디(1)를 통해 전용채널(3)을 정의하는 스페이서들(5)은 두께가 5㎛에서 100㎛, 바람직하게는 10㎛에서 75㎛, 더 바람직하게는 15㎛에서 60㎛이다. 값들은 다시 플레이트들(4)의 자기열재료에 따르며, 또한 능동형 재생 기관에서 전용채널(3)을 통해 흐르는 교환유체에 따른다. 이상적으로, 스페이서(5)는 가능한 한 작은데, 이는 협소한 채널들(3)이 HE 손실을 덜 겪기 때문이다. 그러나, HE 손실과 점성 및 압력 손실들 간에 타협이 고려되어야 한다. 스페이서들은 바람직하게는 자기열재료에 대한 상기 주어진 범위 이하에 있는 낮은 열전도도 재료로 제조된다.
도 3에서 복수의 소자들(2)은 상기 복수의 소자들(2) 각각이 인접한 소자들(2)에 대해 90°씩 회전되도록 블레이드 바디(1)의 길이를 따라 정렬될 수 있다. 물론, 임의의 다른 각이 선택될 수 있다. 교환유체의 흐름은 HE 손실을 더 줄이기 위해 교환유체가 혼합되는 식이 될 것이다.
능동형 재생 자기열기관에서, 블레이드 바디(1)의 일단은 저온단부이고 타단은 고온단부이다. 교환유체는 다중재료 블레이드로부터 자기장이 적절하게 가해지거나 제거되면 고온단부에서 저온단부로 그리고 저온단부에서 고온단부로 전용채널(3)을 통해 지나게 된다. 교환유체가 수차례 펌핑 사이클을 겪은 후, 블레이드 바디(1)의 저온단부로부터 그 고온단부까지 온도 기울기가 확립된다. 총 온도 기울기는 블레이드의 설계, 특히 자기열재료의 선택 및 배열에 따른다.
따라서, 블레이드 바디(1)를 형성하는 복수의 소자들(2)은 상기 요소들(2) 각각에서 자기열재료의 큐리온도들이 블레이드 바디(1)의 전체 길이를 가로질러 확립된 온도 기울기를 추적하는 식으로 블레이드 바디를 따라 배열될 수 있는 그런 자기열재료들로 제조 및/또는 그런 방식 식으로 도핑될 수 있다. 온도 기울기는 바람직하게는 선형이며, 복수의 소자들 각각의 큐리온도, 길이, 및 온도 구간의 적용을 필요로 한다. 복수의 소자들 각각(2)은 가능한 한 큐리온도 가까이에서 작동하는 위치로 더 배열될 수 있다. 복수의 소자들(2)은 전용채널(3) 방향으로 길이가 다르거나 같을 수 있다. 복수의 소자들(2) 각각의 큐리온도, 길이 및 온도변화(ΔT)는 바람직하게는 냉각용량이 균일에 가까워지도록 선택되어야 하며, 균일은 블레이드 바디(1)의 길이를 따라 바로 인접해 위치된 소자들 간의, 즉, 2개 소자들 간의 경계에서의 편차가 ±30%, 바람직하게는 ±20%, 더 바람직하게는 ±10%인 것으로 이해된다.
로컬 온도 기울기는 블레이드 바디(1)에서 소자들 간에 확립될 수 있고, 임의의 능동형 재생 자기열기관의 성능을 방해하는 엔트로피를 발생할 수 있다. 열은 그런 후 복수의 소자들로부터 교환유체로 최적으로 전달될 수 없다. 이 효과를 상쇄하기 위해 복수의 소자들(2) 중 일부 또는 모두들 간에 스페이서나 격리판이 조립이유로 이용될 수 있고, 2개 재료들 간의 경계에서 다른 ΔT를 갖는 서브플레이트들 사이에서 발생할 수 있는 로컬 온도 기울기를 줄이는데 이용될 수 있다. 자기열재료(및 또한 전기열재료)의 상기 배열은 본 발명에 따른 다중재료 블레이드의 모든 예들에 유효하다.
도 5는 2개의 스페이서들(5)이 프린트된 상기 복수의 플레이트들(4) 중 하나를 도시한 것이다. 스페이서(5)는 잉크젯 프린팅 기술에 의해 프린트될 수 있어, 저가 및 자동화된 제조를 할 수 있다. 스페이서는 물론 다른 기술에 의해 프린트되거나 접착될 수 있다. 스페이서(5)의 개수는 2개일 필요는 없으나, 적어도 하나의 스페이서(5)는 있어야 한다. 추가로, 가령 잉크젯 프린팅 기술에 의해 표면 조직(6)이 프린트되거나 그렇지 않으면 일부 또는 모든 플레이트들(4)의 일면 또는 양면에 도포될 수 있다. 표면 조직(6)의 추가는 교환유체가 능동형 재생 자기열 또는 전기열 기관에서 채널(3)을 통해 펌핑될 때 각각의 전용채널(3)을 가로질러 열균일성을 증가시킨다. 교환유체의 혼합은 HE 손실을 줄이고 따라서 기관의 전반적 성능을 증가시킨다. 표면 조직(6)의 형태 및 치수는 도 5에 도시된 것과 다를 수 있다.
표면 조직(6)에 대한 대안으로 또는 추가로, 소수성 코팅층이 플레이트들(4) 중 일부 또는 모두에 프린트되거나 그렇지 않으면 도포될 수 있다. 소수성 코팅층은 플레이트의 일면에 또는 양면에 있을 수 있다. 소수성 코팅층 및 표면 조직(6)은 예컨대 플레이트(4)의 맞은편 면에 있을 수 있다. 선택적으로, 얇은 유리층 또는 플라스틱층이 각 소수성 코팅층 아래에 배열될 수 있다. 소수성 코팅층은 블레이드가 능동형 재생 자기열 기관에 사용될 경우 플레이트(4)의 표면, 즉, 전용채널(3)과 교환유체의 표면 간에 슬립한 경계상태를 만들 수 있다. 슬립한 경계상태는 HE 손실을 줄이는데 이용된다.
적층된 플레이트들(4) 어셈블리로 적용될 수 있는 또 다른 혼합 구조가 도 6에 도시되어 있다. 가령 잉크젯 프린팅 기술로 스페이서들 및/또는 표면 조직(6)을 프린팅하는 대신, 정확한 길이 스케일로 샌드 페이퍼가 체질되고, 선명한 가장자리 샌드 구조들이 형성되어 플레이트(4)에 접착된다. 선명한 가장자리 샌드 구조들은 스페이서들(5) 및 혼합 구조(6)로서 이용된다. 구조들은 전용채널(3)의 폭을 정의하고 HE 손실을 줄이는데 이용된다. 바람직하기로, 낮은 열전도도 재료(즉, 자기열재료의 열전도도보다 더 낮은 재료)는 상술한 이유로 인해 복수의 소자들(2) 각각의 열전도도를 가능한 한 작게 유지하는 것과 관련해 분말 또는 샌드용으로 이용되어야 한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 제 2 실시예의 복수의 소자들(2) 중 하나를 도시한 것이다. 제 2 실시예는 제 1 실시예와 유사하고 호환될 수 있는데, 이는 다시 플레이트들(4)이 복수의 소자들(2)을 형성하기 위해 적층될 수 있기 때문이다. 제 2 실시예의 블레이드 바디(1)는 일방향으로 다른 다공성 영역들을 갖는 횡단면을 나타내며, 이는 도 7에서 수직방향이다. 다른 다공성 영역들은 서로 분리되어 있고 적어도 10%이나 바람직하게는 적어도 20%, 더 바람직하게는 적어도 30%인 다공성으로 갑작스런 점프에 의해 정의된다. 도 7에서, 낮은 다공성(다공성은 심지어 0일 수 있으나, 또한 유한한 값이 될 수 있음) 영역들을 나타내는 플레이트들(4)은 사이에 다공층들(19)과 함께 서로의 상단에 번갈아 적층된다. 다공층(19)은 전용채널(3)뿐만 아니라 스페이서(5)를 형성한다. 교환유체가 바람직하게는 더 높은 다공성(개방구조)을 갖는 영역, 도 7의 경우 플레이트들(4) 사이 층들(19)을 통해 흐른다. 그러나, 교환유체 중 소정의 양도 또한 낮은 다공성 영역을 통해 흐른다. 자기열재료는 발마직하게는 다공성이 10% 미만이며, 이는 또한 다른 모든 실시예들에 이용된 자기열재료에 대해서도 사실이다.
블레이드 바디(1)에서 다른 다공성 영역들의 많은 설계들이 가능하다. 블레이드 바디(1)는 수직 또는 수평방향을 따라 다공성이 다른 적어도 2개의 영역들을 나타낼 수 있음, 심지어 각 영역은 다공성이 다를 수 있다. 블레이드 바디의 복수의 소자들(2) 각각의 횡단면은 반드시 같아야할 필요가 없다. 또한 더 많거나 더 적은 다공성 영역들의 개수는 소자들(2) 마다 다를 수 있다.
다공성이 다른 영역들은 이들이 혼합 구조(6)로서 이용되도록 설계될 수 있어, 냉각제 시스템에서 HE 손실을 줄인다. 추가로, 다중재료 블레이드에서 압력을 제어하고 이에 따라 점성 손실을 제어하고 줄이기 위해 다른 다공성들이 이용될 수 있다. 도 7에 도시된 다공층(19)은 다공성에 따라 15에서 80㎛, 최대 125㎛의 바람직한 수직 폭을 갖는다. 다공층(19)이 될 수 있는 재료는 가령 콜라겐 클리코사미노글리칸 스캐폴드 또는 스폰텍스일 수 있다. 또한, 콜라겐 폼, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 하이드록시아파타이트 세라믹이 이용될 수 있다. 다공성들은 바람직하게는 25에서 95% 범위에 있다. 구멍 크기들은 바람직하게는 1㎛에서 100㎛ 범위에 있다. 하이드록시아파타이트 세라믹은 미소공들(micro-pores)을 나타낸다. 미소공들의 크기는 바람직하게는 0.1㎛에서 10㎛이다. 적어도 하나의 큰 다공성영역은 크기 및 형태에 맞출 수 있는 가령 스폰지형 구조로서 유연해질 수 있다. 따라서 블레이드 바디(1)의 복수의 적층된 소자들을 어셈블리하기 위해 플레이트(4)의 평탄 요건들이 감소될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 다중재료 블레이드의 또 다른 제 3 실시예를 도시한 것이다. 다시 블레이드 바디(1)는 복수의 소자들(2)과 전용채널들(3)로 구성된다. 도 9는 도 8의 복수의 소자들(2) 중 하나를 이루는 다공플레이트(7)를 도시한 것이다. 복수의 다공플레이트들(7)이 블레이드 바디(1)의 길이를 따라 배열되고 전용채널들(3)이 모든 플레이트들(7)을 통해 이어진다. 이를 위해, 각 다공플레이트(7)는 도 8에 도시된 바와 같이 구멍들(9)을 포함한다. 다공플레이트(7)는 천공, 압출 또는 프레싱 공정에 의해 또는 다른 분말처리기술을 통해 제조될 수 있다. 구멍들은 각지거나 직사각형이거나 둥글 수 있거나, 임의의 다른 형태일 수 있다. 각 구멍의 직경은 최적화될 수 있고 이상적으로는 10㎛에서 150㎛, 바람직하게는 15에서 110㎛, 더 바람직하게는 20㎛에서 85㎛이다. 2개의 인접한 구멍들 간의 거리는 바람직하게는 60㎛에서 2mm, 더 바람직하게는 80에서 1000㎛, 더욱더 바람직하게는 100에서 650㎛이다. 길이 스케일은 다공플레이트(7) 각각이 제조되는 자기열재료에 의존하나, 제 1 실시예에서 기술된 전용채널(3)의 길이 스케일 요건과 같다. 다공플레이트(7)는 직사각형 또는 정사각형 형태로 도시되어 있으나, 다른 형태를 또한 가질 수 있다. 다공플레이트(7)는 평평한 플레이트(7)로서 다시 도시되어 있으나, 후술되는 바와 같이, 다공플레이트(7)는 곡률 또는 벤딩 각을 또한 나타낼 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 다공플레이트(7)가 함께 적층될 경우, 이상적으로 어떠한 스페이서들도 역류 손실을 최소화하기 위한 시도로 간단히 이용되지 않는다. 그러나, 스페이서들은 심지어 더 적층을 가능하게 하고 로컬 온도 기울기의 절감을 가능하게 하기 위해 필요하다면 이용될 수 있다. 바람직하기로, 다공플레이트들(7) 각각은 블레이드 바디(1)의 조립이 간단하고 신뢰할 수 있도록 정렬 노치가 있다. 각 다공플레이트(7)는 다시 다른 자기열재료로 제조되며, 이는 제 1 실시예에서 기술된 동일한 재료의 그룹에서 선택될 수 있다. 복수의 요소들(2) 각각의 큐리온도를 선택하기 위한 요건들은 상술한 바와 같다.
다공플레이트(7)가 제조되는 압출 또는 프레싱과 같은 제조기술들이 바람직하게는 다중재료 블레이드에 이용되는 것보다 더 큰 구멍들에서만 작용하면, 전용채널(3)을 통해 교환유체의 흐름을 최적화하기 위해 파이프 인서트들이 추가로 적용될 수 있다. 이로써, HE 손실이 최소화될 수 있다. 도 10은 직경을 줄이고 이에 따라 HE 손실을 줄이기 위해 복수의 구멍들(9) 각각에 삽입되는 파이프 인서트(10)를 도시한 것이다. 파이프 인서트(10)는 심지어 직경들이 다를 수 있어, 모든 전용채널들(3)이 같은 직경을 갖지 않게 된다. 파이프(10)는 바람직하게는 낮은 열용량 및 낮은 열전도도을 갖는 재료(가령, 유리)로 제조된다. 복수의 소자들(2) 각각, 즉, 다공플레이트들(7) 각각의 열전도도는 0.1W/mK에서 10W/mK, 바람직하게는 0.1W/mK에서 5W/mK, 더 바람직하게는 0.1W/mK에서 2W/mK 범위에 놓여야 한다. 이유는 앞서 기술하였다.
각각의 파이프(10) 또는 각각의 구멍(9)에 대칭 또는 흐름 브레이커(13)가 삽입될 수 있다. 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 이들 대칭 브레이커들(13)은 혼합 구조들로서 작동하며, 가령 전용채널(3)을 통해 이어지는 길이방향으로 뻗어 있는 나선들일 수 있다. 대칭 블레이커(13)는 전용채널(3)을 통해 펌프될 경우 교환유체의 혼합을 지원하고, 따라서 HE 손실을 줄이는데 일조한다. 대칭 브레이커들은 자기열재료가 온도를 변경할 경우 열이 대게 교환유체로 전달되어 지도록 바람직하게는 플라스틱과 같이 더 낮은 열용량 재료 및 낮은 열전도도 재료, 즉 자기열재료의 열전도도보다 높지 않는 재료로 제조된다. 이는 다공플레이트(2)의 총 열전도도를 가능한 한 낮게 유지하게 한다.
HE 손실을 줄이는 혼합 구조를 제공하기 위한 또 다른 가능성은 홀(9) 또는 파이프 인서트(10) 중 일부 또는 모두의 내부에 있는 거친 벽들(11)이다. 도 12는 벽(11)의 내부의 거칠기를 나타낸다. 거칠기는 바람직하게는 압력 손실 및 HE 손실을 동시에 최소화하게 맞춰진다. 거친 벽들로 인해, 더 큰 직경의 구멍(9) 또는 더 얇은 벽 파이프(10)는 HE 손실을 증가시키지 않게 이용될 수 있다. 거칠기는 그루브, 돌기부, 뾰족부, 또는 다른 거칠기 패턴으로 형성될 수 있다.
HE 손실을 줄이기 위한 대안이 도 13에 도시되어 있다. 구멍(9) 또는 파이프 인서트(10)의 내부에는 슬립한 코팅층이 제공된다. 가령, 소수층이 내벽에 도포될 수 있다. 또한 유리 파이프(10)가 구멍(9)에 삽입될 수 있다. 코팅은 표준 유리 소수성 코팅층일 수 있다. 상술한 바와 같이, 슬립한 코팅층은 교환유체와 전용채널(3)의 표면 사이 슬립한 경계상태를 만들어 HE 손실을 상당히 줄인다. 몇몇 구멍들(9)에는 소수성 코팅층들이 제공되고 몇몇 다른 구멍들에는 대칭 브레이커(13) 또는 거친 벽이 제공되는 것이 가능하다. 대칭 브레이크(13)는 심지어 단일 구멍(9)에 있는 코팅층들로 호환될 수 있다.
HE 손실 절감 기술의 이용은 더 효율적인 시스템을 도출할 수 있다. 대안으로, 주어진 손실에 대해, 제조하기가 더 쉬울 수 있는 더 큰 채널 또는 구멍이 허용된다.
본 발명의 다중재료 블레이들은 또한 적어도 하나의 전기열재료(15)로 제조된 복수의 소자들(2)을 가질 수 있으며, 이는 본 발명의 제 4 실시예를 나타낸다. 도 14는 전기열소자(15)를 도시한 것이다. 전기열소자(15)는 전압이 인가되는 2개의 전극들(14) 사이에 끼워진 전기열재료(13)를 포함한다. 따라서, 전기열소자(15)의 구조는 기본적으로 전기열재료(13)에 형성된 커패시터 구조이다. 전기열재료는 재료가 자기장보다는 전기장에 의해 유도된 온도변화(ΔT)를 받는 것을 제외하고는 자기열재료와 유사하다. 전압이 2개의 전극들에 인가되면, 전기장이 전기열재료에 형성되고, 재료(13)의 온도가 변한다.
도 15는 다층 커패시터 구조(16)를 도시한 것이다. 이 다층 커패시터 구조(16)는 다수의 전극들(14)에 의해 분리된 하나의 전기열재료(13)로 된 다층을 이용함으로써 도 14에 도시된 실시예와 다르다. 이 실시예는 전기열재료의 훨씬 더 얇은 층들을 가능하게 하는 이점이 있어, 더 적은 전압들이 이용될 수 있거나 더 큰 전기장이 발생될 수 있어 ΔS와 ΔT를 증가시키고 냉각용량을 향상시킨다.
전기열재료(15) 또는 다층 커패시터 구조(16)가 도 4에 도시된 플레이트들(4) 방식으로 이용되어 전용채널(3) 및 스페이서(5)를 갖는 다층구조를 만들 수 있다.
그러나, 전기열재료(15) 또는 다층 커패시터 구조(16)는 또한 구멍 또는 홀을 가질 수 있어 각각 도 8에서와 같이 블레이드 바디를 따라 전용채널을 확립하는 복수의 소자들(2) 중 하나를 형성한다.
전극(14)은 금속전극일 수 있으며 전기열소자(15)의 두께보다 바람직하게는 5% 이하이다.
전기열 다중재료 블레이드는 상술한 자기열 다중재료 블레이드와 동일한 재료 선택 요건을 갖는다. 엔트로피에 변화가 있는 전이온도는 능동형 재생 전기열 열기관에서 블레이드를 따른 온도 기울기에 의해 정의된 온도를 따라야 한다. 원칙적으로, 전기열재료에서 ΔT 및 ΔS는 자기열재료에서보다 원칙적으로 훨씬 더 크다. 이는 자기장보다 더 큰 전기장이 인가될 수 있는 사실에 기인한다. 큰 ΔT 및 ΔS도 또한 넓은 온도범위에 걸쳐 있으며, 이는 AER의 길이를 따라 재료가 더 적게 필요한 것을 의미한다. 그럼에도 불구하고, 기본 원리들은 AMR과 같게 유지된다.
상기에서 짧게 기술된 바와 같이, 다중재료 블레이드의 형태는 평평한 것으로 기술되었다. 그러나, 다중 블레이드들이 원으로 패킹되고 조립되어야 하는 경우 구배진 형태들이 이점적이다. 도 16에서는 소자(2)의 복수의 플레이트들(4)이 구배진 형태로 이루어지기 때문에 구배진 형태를 갖는 소자(2)를 도시하고 있다. 따라서, 소자(2)는 나선형 설계를 가지며, 이는 완전한 원으로 완벽한 패킹 가능성을 제공하며, 도 16에 도시된 바와 같이 각 소자내에 일정한 플레이트 이격이 있다. 소자들 간의 선간(線間)이 일정하기 때문에, 원형의 기하학적 형태로 입방형 소자들의 패킹에 비해, 자기장 이용이 훨씬 더 크기 때문에, 30% 더 적은 필드 부피가 필요하다. 따라서 더 적고 덜 비싼 자석들이 각각의 능동형 재생 열기관에 이용될 수 있다. 자기장의 이용은 100%에 도달할 수 있다. 각 소자는 도 4로부터 스택 플레이트(4) 또는 도 9로부터 다공플레이트(7)와 같이 여전히 많은 개개의 플레이트들로 만들어질 수 있다. 구배플레이트는 커브 압출로 제조될 수 있다. 또한 도 16의 나선형 설계에 대해 거친 벽 또는 표면 조직이 각각의 전용채널(3)에 적용될 수 있고, 또한 슬립 코팅도 이용될 수 있다.
다수의 소자들(2)이 수직으로(또는 방사형으로) 결합될 수 있어, 다중재료 블레이드 구조(1)를 형성한다. 일반적으로 예들 모두가 이점적인 특징들 및 다른 예들의 보강들을 이용할 수 있다. 예들은 서로 조합될 수 있다.
도 17은 본 발명, 특히 제 1 실시예에 따른 다중재료 블레이드가 어떻게 제조될 수 있는지의 예를 도시한 것이다. 일반적으로 블레이드 바디(1)는 복수의 소자들(2)로 형성되고 복수의 소자들(2) 각각은 다른 자기열재료 또는 전기열재료로 제조된다. 복수의 소자들(2)은 블레이드 바디(1)의 길이를 따라 배열되고 블레이드 바디(1)를 관통하는 전용채널(3)이 형성된다. 최종적으로 전용채널(3) 각각에 혼합 구조 및/또는 소수성 코팅층이 제공될 수 있다.
도 17에서, 복수의 소자들(2) 각각은 서로의 상단에 복수의 플레이트들(4)을 적층함으로써 형성된다. 복수의 소자들(2) 각각은 플레이트(4)를 만들기 위해 프레임(17)에 서브플레이트들(16)을 정렬하고, 서브플레이트에 스트립 및 도트(18)를 도포하며 프레임(17)과 함께 정렬된 서브플레이트(16)를 소성함으로써 형성된다. 그런 후 플레이트(4)는 사이에 스페이서들(5)과 함께 서로의 상단에 적층되고, 가령 측면에서 함께 고정 또는 접착되며, 선택적으로 케이스에 넣어진다. 마지막으로 복수의 소자들(2)은 블레이드 바디(1)를 형성하기 위해 함께 두어지며, 바람직하기로 각 스택은 인접한 플레이트 스택에 대해 바람직하게는 90°로 회전된다.
요약하면, 본 발명은 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에서 능동형 재생 재생기로서 이용되는 다중재료 블레이드의 설계 및 제작을 기술한다. 블레이드는 길이를 따라 블레이드 바디를 나누는 복수의 소자들(2)로 구성된다. 각 소자(2)는 다른 자기열재료 또는 전기열재료로 제조되며, 복수의 전용채널들(3)이 블레이드 바디(1)를 관통하고 블레이의 길이를 따라 뻗어 있다. 전용채널(3)에는 유체 혼합구조, 다공층 또는 소수성 코팅들이 제공될 수 있어, 능동형 재생 열기관에서 HE 손실을 줄인다. 다중재료 블레이드는 잉크젯(또는 등가의) 기술로 얻어질 수 있으며 더불어 비용이 절감된다. 다중재료 블레이드는 나선형 블레이드 바디(1)를 형성하기 위해 구배진 형태를 또한 가질 수 있다. 모든 조치들이 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관의 성능을 향상시키고 상업적 방안을 위한 기반을 제시할 수 있다.

Claims (20)

  1. 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드로서,
    다른 자기열재료 또는 전기열재료로 제조된 복수의 소자들(2)로 만들어진 블레이드 바디(1); 및
    상기 블레이드 바디(1)를 관통하고 블레이드의 길이를 따라 뻗어 있는 복수의 전용채널들(3)을 구비하고,
    상기 블레이드 바디(1)는 길이를 따라 상기 복수의 소자들(2)로 나누어지며,
    상기 복수의 전용채널들(3) 각각에 유체 혼합구조(6) 및 소수성 코팅층(12)이 제공되고,
    상기 복수의 소자들(2)은 복수의 플레이트들(4)에 의해 형성되고, 상기 복수의 플레이트들(4)은 서로의 상단에 적층되고 적어도 하나의 스페이서(5)에 의해 서로 이격되며, 상기 복수의 플레이트들(4) 간의 이격이 복수의 전용채널들(3)을 이루며,
    상기 복수의 전용채널들(3) 각각은 적어도 상기 복수의 플레이트들(4) 각각의 상단에 상기 유체 혼합구조로서 표면 조직을 구비하고, 상기 소수성 코팅층(12)은 상기 복수의 플레이트들(4) 각각에 제공되며,
    상기 소수성 코팅층(12) 아래에 유리층 또는 플라스틱층이 제공되는 다중재료 블레이드.
  2. 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드로서,
    다른 자기열재료 또는 전기열재료로 제조된 복수의 소자들(2)로 만들어진 블레이드 바디(1); 및
    상기 블레이드 바디(1)를 관통하고 블레이드의 길이를 따라 뻗어 있는 복수의 전용채널들(3)을 구비하고,
    상기 블레이드 바디(1)는 길이를 따라 상기 복수의 소자들(2)로 나누어지며,
    상기 전용채널들(3)에 수직한 블레이드 바디(1)의 횡단면은 기설정된 방향을 따라 복수의 다른 다공성 영역들을 갖고, 인접한 영역들의 경계면에서 다공성은 30% 이상 변하고,
    상기 복수의 소자들(2)은 복수의 플레이트들(4)에 의해 형성되고, 상기 복수의 플레이트들(4)은 서로의 상단에 적층되고 적어도 하나의 다공층(19)에 의해 서로 이격되며,
    상기 플레이트들(4)은 상기 다공층들(19)보다 더 낮은 다공성을 갖는 다중재료 블레이드.
  3. 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드로서,
    다른 자기열재료 또는 전기열재료로 제조된 복수의 소자들(2)로 만들어진 블레이드 바디(1); 및
    상기 블레이드 바디(1)를 관통하고 블레이드의 길이를 따라 뻗어 있는 복수의 전용채널들(3)을 구비하고,
    상기 복수의 전용채널들(3) 각각에 유체 혼합구조(6) 및 소수성 코팅층(12)이 제공되고,
    상기 복수의 소자들(2)은 복수의 플레이트들(4)에 의해 형성되고, 상기 복수의 플레이트들(4)은 서로의 상단에 적층되고 적어도 하나의 스페이서(5)에 의해 서로 이격되며, 상기 복수의 플레이트들(4) 간의 이격이 복수의 전용채널들(3)을 이루며,
    상기 복수의 전용채널들(3) 각각은 적어도 상기 복수의 플레이트들(4) 각각의 상단에 상기 유체 혼합구조로서 표면 조직을 구비하고, 상기 소수성 코팅층(12)은 상기 복수의 플레이트들(4) 각각에 제공되며,
    상기 소수성 코팅층(12) 아래에 유리층 또는 플라스틱층이 제공되며,
    상기 블레이드 바디(1)는 길이를 따라 상기 복수의 소자들(2)로 나누어지며,
    상기 복수의 소자들(2) 각각은 잉크젯 프린팅 기술, 스텐실 또는 스크린 프린팅, 포토리소그래피 또는 도팅(dotting)이나 분사 시스템에 의한 직접 도포를 이용해 달성될 수 있는 다중재료 블레이드.
  4. 삭제
  5. 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드로서,
    다른 자기열재료 또는 전기열재료로 제조된 복수의 소자들(2)로 만들어진 블레이드 바디(1); 및
    상기 블레이드 바디(1)를 관통하고 블레이드의 길이를 따라 뻗어 있는 복수의 전용채널들(3)을 구비하고,
    상기 복수의 전용채널들(3) 각각에 유체 혼합구조(6) 및 소수성 코팅층(12)이 제공되고,
    상기 복수의 소자들(2)은 복수의 플레이트들(4)에 의해 형성되고, 상기 복수의 플레이트들(4)은 서로의 상단에 적층되고 적어도 하나의 스페이서(5)에 의해 서로 이격되며, 상기 복수의 플레이트들(4) 간의 이격이 복수의 전용채널들(3)을 이루며,
    상기 복수의 전용채널들(3) 각각은 적어도 상기 복수의 플레이트들(4) 각각의 상단에 상기 유체 혼합구조로서 표면 조직을 구비하고, 상기 소수성 코팅층(12)은 상기 복수의 플레이트들(4) 각각에 제공되며,
    상기 소수성 코팅층(12) 아래에 유리층 또는 플라스틱층이 제공되며,
    상기 블레이드 바디(1)는 길이를 따라 상기 복수의 소자들(2)로 나누어지며,
    상기 블레이드 바디(1)에 있는 복수의 소자들(2) 각각은 인접한 소자들(2)에 대해, 90°씩 회전되는 다중재료 블레이드.
  6. 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드로서,
    다른 자기열재료 또는 전기열재료로 제조된 복수의 소자들(2)로 만들어진 블레이드 바디(1); 및
    상기 블레이드 바디(1)를 관통하고 블레이드의 길이를 따라 뻗어 있는 복수의 전용채널들(3)을 구비하고,
    상기 복수의 전용채널들(3) 각각에 유체 혼합구조(6) 및 소수성 코팅층(12)이 제공되고,
    상기 복수의 소자들(2)은 복수의 플레이트들(4)에 의해 형성되고, 상기 복수의 플레이트들(4)은 서로의 상단에 적층되고 적어도 하나의 스페이서(5)에 의해 서로 이격되며, 상기 복수의 플레이트들(4) 간의 이격이 복수의 전용채널들(3)을 이루며,
    상기 복수의 전용채널들(3) 각각은 적어도 상기 복수의 플레이트들(4) 각각의 상단에 상기 유체 혼합구조로서 표면 조직을 구비하고, 상기 소수성 코팅층(12)은 상기 복수의 플레이트들(4) 각각에 제공되며,
    상기 소수성 코팅층(12) 아래에 유리층 또는 플라스틱층이 제공되며,
    상기 블레이드 바디(1)는 길이를 따라 상기 복수의 소자들(2)로 나누어지며,
    상기 자기열재료 또는 전기열재료는 가돌리늄(gadolinium)의 보다 평가수치보다 더 큰 평가수치를 가지며,
    블레이드 바디(1)의 길이를 따라 냉각용량이 최대이고,
    블레이드 바디(1)를 따라 2개의 소자들(2) 간의 경계에서 냉각용량은 30%내로 일치하며, 소자(2)에서 가장 낮은 냉각용량이 소자의 일단에 위치해 있고, 각 소자(2)의 냉각용량은 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에서 블레이드 바디(1)의 특정 소자(2)를 따라 확립된 온도 기울기에 비례하는 속도로 상승하는 다중재료 블레이드.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 소자들(2) 각각은 하나 이상의 도판트들이 추가로 제공될 수 있는 LaFeSi, LaFeSiCo, LaFeSiH, MnPFeAs, MnPFeSi, MnAsSb, MnPFeGe, Gd, GdDy, CoMnSi, CoMnGe, 및 GdSiGe그룹에서 선택된 자기열재료, 또는 P(VDF-TrFE-chlorofluoroethylene), PLZT(8/65/35), Pb(Mg1/2Nb2/3)O3-35PbTiO3(PMN-35PT)), BaTiO3, 또는 (NH4)2SO4 그룹에서 선택된 전기열재료로 제조되고, 각 재료는 큐리온도가 다르며 각 재료는 부피에 대해 20% 이하의 다공성을 갖는 다중재료 블레이드.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 소자들(2) 각각은 0.1 W/mK에서 30 W/mK 범위로 가능한 한 낮은 열전도도를 갖는 다중재료 블레이드.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 소자들(2)은 재료의 큐리온도가 능동형 재생 자기열 열기관에서 블레이드 바디(1)를 따라 확립된 온도 기울기를 따르도록 설계되고 배열되는 다중재료 블레이드.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 소자들(2)은 복수의 플레이트들(4)에 의해 형성되고,
    상기 복수의 플레이트들(4)은 서로의 상단에 적층되고 적어도 하나의 스페이서(5)에 의해 서로 이격되며, 잉크젯 프린팅 기술, 스텐실 또는 스크린 프린팅, 포토리소그래피 또는 도팅이나 분사 시스템에 의한 직접 도포로 프린트되며, 복수의 플레이트들(4) 간의 이격이 복수의 전용채널들(3)을 이루는 다중재료 블레이드.
  11. 제 10 항에 있어서,
    스페이서(5)는 부피에 대해 25% 보다 큰 다공성을 갖는 다공성 재료이며, 상기 다공성 재료는 콜라겐-클리코사미노글리칸, 콜라겐 폼, 폴리테트라플루오로에틸렌, 스폰텍스 또는 하이드록시아파타이트 세라믹 중 적어도 하나인 다중재료 블레이드.
  12. 제 10 항에 있어서,
    복수의 플레이트들(4) 각각은 두께가 약 50㎛에서 1500㎛이며, 적어도 하나의 스페이서(5)는 두께가 5㎛에서 100㎛ 범위에 있는 다중재료 블레이드.
  13. 제 10 항에 있어서,
    표면 조직(6)은 유체 혼합구조(6)로서 적어도 복수의 플레이트들(4) 각각의 상단에 제공되거나,
    소수성 코팅층이 복수의 플레이트들(4) 각각에 제공되며, 유리층이 각 소수성 코팅층 아래에 제공되는 다중재료 블레이드.
  14. 제 13 항에 있어서,
    표면 조직(6)은 잉크 프린팅 기술에 의해 프린트되거나 복수의 플레이트들(4)에 접착되는 샌드 또는 샌드형 재료로 형성되는 다중재료 블레이드.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 소자들(2) 각각은 다공플레이트(7)에 의해 형성되고,
    상기 다공플레이트(7)에서 복수의 관통공들(9)이 복수의 전용채널들(3)을 형성하는 다중재료 블레이드.
  16. 제 15 항에 있어서,
    복수의 관통공들은 복수의 원형 및/또는 모진 구멍들(9)이며,
    복수의 구멍들(9) 각각의 직경 또는 폭은 10㎛에서 150㎛ 범위에 있으며,
    복수의 구멍들(9) 중 인접한 구멍들 간의 거리는 60㎛에서 2mm 범위에 있는 다중재료 블레이드.
  17. 제 15 항에 있어서,
    대칭 브레이커(13)는 복수의 구멍들(9) 각각에 유체 혼합구조로서 삽입되거나,
    복수의 구멍들(9) 각각의 내벽은 유체 혼합구조로서 이용되는 거친 표면(11)을 갖거나,
    복수의 구멍들(9) 각각의 내벽에는 소수성 코팅층(12), 유리 소수성 코팅층이 제공되는 다중재료 블레이드.
  18. 제 10 항에 있어서,
    능동형 재생 자기열 열기관에 있는 복수의 소자들의 경계면에서 로컬 온도 기울기를 보상하기 위해 상기 복수의 소자들 중 인접한 소자들 사이에 격리판이 제공되고, 상기 격리판은 자기열재료 또는 전기열재료의 열전도도보다 더 낮은 열전도도를 갖고, 그 두께는 50㎛에서 1000㎛ 범위에 있는 다중재료 블레이드.
  19. 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드 제조방법으로서,
    다른 자기열재료 또는 전기열재료로 제조된 복수의 소자들(2)로부터 블레이드 바디(1)를 형성하는 단계;
    상기 블레이드 바디(1)를 관통하고 블레이드 바디(1)의 길이를 따라 뻗어 있는 복수의 전용채널들(3)을 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 전용채널들(3) 각각에 유체 혼합구조(6,11,13) 및/또는 소수성 코팅층(12)을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 소자들(2)은 상기 블레이드 바디(1)의 길이를 따라 나누어지고,
    상기 복수의 소자들(2)은 복수의 플레이트들(4)에 의해 형성되고, 상기 복수의 플레이트들(4)은 서로의 상단에 적층되고 적어도 하나의 스페이서(5)에 의해 서로 이격되며, 상기 복수의 플레이트들(4) 간의 이격이 복수의 전용채널들(3)을 이루며,
    상기 복수의 전용채널들(3) 각각은 적어도 상기 복수의 플레이트들(4) 각각의 상단에 상기 유체 혼합구조로서 표면 조직을 구비하고, 상기 소수성 코팅층(12)은 상기 복수의 플레이트들(4) 각각에 제공되며,
    상기 소수성 코팅층(12) 아래에 유리층 또는 플라스틱층이 제공되는 다중재료 블레이드 제조방법.
  20. 능동형 재생 자기열 또는 전기열 열기관에 사용하기 위한 다중재료 블레이드 제조방법으로서,
    다른 자기열재료 또는 전기열재료로 제조된 복수의 소자들(2)로부터 블레이드 바디(1)를 형성하는 단계;
    상기 블레이드 바디(1)를 관통하고 블레이드 바디(1)의 길이를 따라 뻗어 있는 복수의 전용채널들(3)을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 소자들(2)은 상기 블레이드 바디(1)의 길이를 따라 나누어지고,
    상기 복수의 소자들(2) 각각은 서로의 상단에 복수의 플레이트들(4)을 적층함으로써 형성되며, 상기 복수의 플레이트들(4)은 적어도 하나의 스페이서(5)에 의해 서로 이격되고 잉크젯 프린팅 기술로 프린트되며, 복수의 플레이트들(4)을 함께 고정 또는 접착하고,
    상기 복수의 플레이트들(4) 각각은 복수의 플레이트들(4)을 형성하기 위해 프레임(17)에서 자기열재료 또는 전기열재료로 제조된 서브플레이트들(16)을 정렬하고, 상기 서브플레이트들(16)에 스트립 또는 도트(18)를 도포하고, 정렬된 서브플레이트들(16) 및 프레임(17)을 소성함으로써 형성되고,
    상기 복수의 전용채널들(3) 각각에 유체 혼합구조(6) 및 소수성 코팅층(12)이 제공되고,
    상기 복수의 전용채널들(3) 각각은 적어도 상기 복수의 플레이트들(4) 각각의 상단에 상기 유체 혼합구조로서 표면 조직을 구비하고, 상기 소수성 코팅층(12)은 상기 복수의 플레이트들(4) 각각에 제공되며,
    상기 소수성 코팅층(12) 아래에 유리층 또는 플라스틱층이 제공되는 다중재료 블레이드 제조방법.
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