KR101843700B1 - 분리된 입구 및 출구 흐름을 갖는 자기 냉동 시스템 - Google Patents

분리된 입구 및 출구 흐름을 갖는 자기 냉동 시스템 Download PDF

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Abstract

능동 자기 재생(AMR) 냉동기 장치는 제1 단부와 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 AMR 베드, 및 제1 단부와 제2 단부를 갖는 제1 열 교환기(HEX)를 포함할 수 있다. 상기 AMR 냉동기는 또한 상기 제1 HEX의 상기 제1 단부를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결하는 제1 파이프, 및 상기 제1 HEX의 상기 제2 단부를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결하는 제2 파이프를 포함할 수 있다. 상기 제1 파이프는 상기 AMR 베드에서 2개 이상의 서브-통로로 분할될 수 있다. 상기 제2 파이프는 상기 AMR 베드에서 2개 이상의 서브-통로로 분할될 수 있다. 상기 제1 파이프와 상기 제2 파이프의 상기 서브-통로들은 상기 AMR 베드에서 인터리빙될 수 있다.

Description

분리된 입구 및 출구 흐름을 갖는 자기 냉동 시스템{MAGNETIC REFRIGERATION SYSTEM WITH SEPARATED INLET AND OUTLET FLOW}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 전체 내용이 본 명세서에 참고로 병합된 2014년 7월 28일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/029697의 이익을 주장한다.
연방 자금 지원에 관한 진술
본 발명은 미국 에너지부(U.S. Department of Energy)에 의해 부여된 DE-AR0000128에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 가지고 있다.
자기 냉동(magnetic refrigeration: MR)은 일반적으로 특정 자기 열량 재료(magnetocaloric material)의 자기 열량 효과를 이용하는 냉동 시스템을 말한다. 자기 열량 효과는 부분적으로는 자기 열량 재료가 변화하는 자기장에 노출된 결과 발생하는 자기 열량 재료의 온도 변화를 말한다. 현대의 실온 자기 냉동(MR) 시스템은 냉각을 수행하기 위해 능동 자기 재생기(Active Magnetic Regenerator: AMR) 사이클을 사용할 수 있다.
본 명세서에 개시된 주제는 AMR 베드(bed)와 그 열원(저온 측 열 교환기(cold side heat exchanger: CHEX)) 또는 히트 싱크(고온 측 열 교환기(hot side heat exchanger: HHEX)) 사이의 열 전달 유체의 이송하는 것에 관한 것이다. 능동 자기 재생(active magnetic regenerative: AMR) 냉동기(refrigerator) 장치는 제1 단부와 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 AMR 베드, 및 제1 단부와 제2 단부를 갖는 제1 열 교환기(HEX)를 포함할 수 있다. 상기 AMR 냉동기는 또한 상기 제1 HEX의 상기 제1 단부를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결하는 제1 파이프, 및 상기 제1 HEX의 상기 제2 단부를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결하는 제2 파이프를 포함할 수 있다. 상기 제1 파이프는 상기 AMR 베드에서 2개 이상의 서브-통로로 분할될 수 있다. 상기 제2 파이프는 상기 AMR 베드에서 2개 이상의 서브-통로로 분할될 수 있다. 상기 제1 파이프와 상기 제2 파이프의 상기 서브-통로들은 상기 AMR 베드에서 인터리빙(interleaved)될 수 있다.
능동 자기 재생(AMR) 냉동기는 제1 단부와 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 AMR 베드, 제1 단부와 제2 단부를 갖는 제1 열 교환기(HEX), 및 열 전달 유체를 포함할 수 있다. 상기 AMR 냉동기는 상기 제1 HEX의 상기 제1 단부를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결하는 제1 파이프, 및 상기 제1 HEX의 상기 제2 단부를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결하는 제2 파이프를 더 포함할 수 있다. 상기 AMR 냉동기는 또한 상기 제1 파이프, 상기 제2 파이프, 상기 제1 HEX 및 상기 AMR 베드의 기공(pore)을 통해 상기 열 전달 유체를 구동하도록 구성된 펌프를 포함할 수 있다. 상기 제1 파이프는 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에서 제1 영역으로 확산(spread)될 수 있고, 상기 제2 파이프는 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부와 상기 제1 영역 사이의 제2 영역에서 제2 서브-통로로 확산될 수 있다. 상기 제1 영역은 상기 제2 영역의 상기 제2 서브-통로들 사이에 확산된 상기 제1 서브-통로에 의해 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결될 수 있다.
능동 자기 재생(AMR) 냉동기는 제1 단부와 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 AMR 베드, 열 교환기(HEX) 및 열 전달 유체를 포함할 수 있다. 상기 AMR 냉동기는 상기 HEX의 상기 제1 단부를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결하는 제1 파이프, 및 상기 HEX의 상기 제2 단부를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결하는 제2 파이프를 더 포함할 수 있다. 상기 AMR 냉동기는 또한 상기 제1 파이프, 상기 제2 파이프, 상기 HEX 및 상기 AMR 베드의 기공을 통해 상기 열 전달 유체를 구동하도록 구성된 펌프를 포함할 수 있다. 상기 제1 파이프는 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부의 제1 부분 위로 연장되는 제1 채널에 연결될 수 있고, 상기 제2 파이프는 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부의 제2 부분 위로 연장되는 제2 채널에 연결될 수 있다. 상기 제1 채널은 상기 제2 채널의 일부분 아래로 연장되는 상기 제1 채널의 하부 벽에 형성된 슬롯을 통해 상기 AMR 베드에 유체적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 채널은 상기 제1 채널의 일부분 아래로 연장되는 상기 제2 채널의 하부 벽에 형성된 슬롯을 통해 상기 AMR 베드에 유체적으로 연결될 수 있다.
능동 자기 재생(AMR) 냉동기는 제1 단부와 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 AMR 베드, 열 교환기(HEX) 및 열 전달 유체를 포함할 수 있다. 상기 AMR 냉동기는 상기 HEX를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 연결하는 제1 파이프를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 파이프는 제1 동작 모드에서 단방향 흐름(unidirectional flow)으로 상기 열 전달 유체를 지향시키도록 구성될 수 있다. 상기 제1 파이프는 제2 동작 모드에서 제2 단방향 흐름으로 상기 열 전달 유체를 지향시키도록 더 구성될 수 있다. 상기 AMR 냉동기는 제1 단방향 흐름과 상기 제2 단방향 흐름으로 상기 열 전달 유체를 구동하도록 구성된 펌프를 더 포함할 수 있다.
능동 자기 재생(AMR) 냉동기 장치는 저온 단부와 고온 단부를 갖는 제1 AMR 베드를 포함할 수 있다. 상기 제1 AMR 베드는 자기 열량 재료를 포함할 수 있다. 상기 AMR 냉동기 장치는 높은 상태와 낮은 상태의 시변 자기장(time-varying magnetic field)을 상기 제1 AMR 베드에 인가하도록 구성된 자석, 입구 단부와 출구 단부를 갖는 저온 열 교환기(CHEX), 입구 단부와 출구 단부를 갖는 고온 열 교환기(HHEX), 및 열 전달 유체를 더 포함할 수 있다. 상기 AMR 냉동기 장치는, 상기 제1 AMR 베드에 인가된 상기 시변 자기장이 높은 상태에 있을 때, 상기 제1 AMR 베드의 상기 저온 단부로부터 상기 제1 AMR 베드를 통해 상기 제1 AMR 베드의 상기 고온 단부로 상기 열 전달 유체의 흐름을 지향시키도록 구성된 밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 밸브는, 상기 제1 AMR 베드에 인가되는 상기 시변 자기장이 낮은 상태에 있을 때, 상기 HHEX로부터 상기 제1 AMR 베드를 통해, 상기 제1 AMR 베드의 상기 고온 단부로, 상기 CHEX 통해, 상기 제1 AMR 베드의 상기 저온 단부로, 상기 열 전달 유체의 흐름을 지향시키도록 더 구성될 수 있다. 상기 AMR 냉동기 장치는 상기 CHEX의 상기 입구 단부를 상기 제1 AMR 베드의 상기 저온 단부에 유체적으로 연결하는 제1 파이프를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 파이프는 상기 제1 AMR 베드에서 2개 이상의 서브-통로로 분할될 수 있다. 상기 AMR 냉동기 장치는 또한 상기 CHEX의 상기 출구 단부를 상기 제1 AMR 베드의 상기 저온 단부에 유체적으로 연결하는 제2 파이프를 포함할 수 있다. 상기 제2 파이프는 상기 제1 AMR 베드에서 2개 이상의 서브-통로로 분할될 수 있다. 상기 AMR 냉동기 장치는 상기 HHEX의 상기 입구 단부를 상기 제1 AMR 베드의 상기 고온 단부에 유체적으로 연결하는 제3 파이프를 포함할 수 있다. 상기 제3 파이프는 상기 제1 AMR 베드에서 2개 이상의 서브-통로로 분할될 수 있다. 상기 AMR 냉동기 장치는 상기 HHEX의 상기 출구 단부를 상기 제1 AMR 베드의 상기 고온 단부에 유체적으로 연결하는 제4 파이프를 더 포함할 수 있다. 상기 제4 파이프는 상기 제1 AMR 베드에서 2개 이상의 서브-통로로 분할될 수 있다. 추가적으로, 상기 AMR 냉동기는, 상기 제1 AMR 베드, 상기 CHEX, 상기 HHEX, 상기 밸브, 상기 제1 파이프, 상기 제2 파이프, 상기 제3 파이프, 상기 제4 파이프를 통해 상기 열 전달 유체를 구동하도록 구성된 펌프를 포함할 수 있다.
방법은 제1 열 교환기(HEX)의 제1 단부로부터 제1 파이프를 통해 능동 자기 재생(AMR) 베드의 제1 단부로 열 전달 유체를 펌핑하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 파이프는 상기 AMR 베드에서 2개 이상의 서브-통로로 분할될 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부로부터 상기 제2 파이프를 통해 상기 제1 HEX의 제2 단부로 상기 열 전달 유체를 펌핑하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2 파이프는 상기 AMR 베드에서 2개 이상의 서브-통로로 분할될 수 있다. 상기 제1 파이프와 상기 제2 파이프의 상기 서브-통로들은 상기 AMR 베드에서 인터리빙될 수 있다.
방법은 제1 동작 모드에서 능동 자기 재생(AMR) 베드에 시변 자기장을 인가하는 단계, 및 제2 동작 모드에서 상기 AMR 베드에 상기 시변 자기장을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 시변 자기장이 제1 동작 모드에 있을 때, 단방향 흐름으로 열 교환기(HEX)를 상기 AMR 베드의 제1 단부에 연결하는 제1 파이프를 통해 열 전달 유체를 펌핑하는 단계, 및 제2 동작 모드에서 제2 단방향 흐름으로 상기 제1 파이프를 통해 상기 열 전달 유체를 펌핑하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 단방향 흐름과 상기 제2 단방향 흐름은 서로 반대 방향일 수 있다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 AMR 사이클을 사용하는 자기 냉동 시스템을 도시한다.
도 2a는 주기 운동을 하고 제1 위치에 있는 자석을 갖는 2개의 베드 자기 냉동 시스템에서의 AMR 모드 동작을 도시하는 도면이다.
도 2b는 주기 운동을 하고 제2 위치에 있는 자석을 갖는 2개의 베드 자기 냉동 시스템에서의 AMR 모드 동작을 도시하는 도면이다.
도 3a는 예시적인 실시예에 따라 파이프 내에서 단방향 흐름을 갖고 주기 운동을 하고 제1 위치에 있는 자석을 갖는 2개의 베드 자기 냉동 시스템에서의 AMR 모드 동작을 도시하는 도면이다.
도 3b는 예시적인 실시예에 따라 파이프 내에서 단방향 흐름을 갖고 주기 운동을 하고 제2 위치에 있는 자석을 갖는 2개의 베드 자기 냉동 시스템에서의 AMR 모드 동작을 도시하는 도면이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따라 베드 휠의 회전에 의해 활성화되는 밸브에 의해 유체 흐름이 제어되는 회전식 베드 능동 자기 재생기 냉동기를 도시하는 도면이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따라 각 단부에 플레넘(plenum) 영역을 갖고, 각 플레넘은 입구 흐름과 출구 흐름을 운반하는, AMR 베드를 도시한다.
도 6은 예시적인 실시예에 따라 입구 흐름과 출구 흐름이 분리되는 것을 보장하는 흐름 분할기를 갖는 AMR 베드를 도시한다.
도 7은 예시적인 실시예에 따라 도 6의 AMR 베드에서의 흐름을 시뮬레이션한 결과를 도시한다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 흐름 분할기 및 스태거(staggered)된 입구와 출구를 갖는 AMR 베드를 도시한다.
도 9는 예시적인 실시예에 따라 도 8의 AMR 베드에서의 흐름을 시뮬레이션한 결과를 도시한다.
도 10은 예시적인 실시예에 따라 흐름을 보다 균일하게 분배하도록 인터리빙된 11개의 서브-통로로 각각 분할된 입구와 출구를 갖는 흐름 분할기를 구비하는 AMR 베드를 도시한다.
도 11은 예시적인 실시예에 따라 도 10과 유사한 구성의 AMR 베드에서의 흐름을 시뮬레이션한 결과를 도시한다.
도 12a, 도 12b 및 도 12c는 예시적인 실시예에 따라 인터리빙된 다수의 서브-통로 파이프들로 분할된 입구 파이프와 출구 파이프를 갖는 AMR 베드를 도시한다.
도 13a, 도 13b 및 도 13c는 예시적인 실시예에 따라 인터리빙된 서브-통로 핑거(finger)에 연결된 입구 채널과 출구 채널을 갖는 AMR 베드를 도시한다.
도 14a, 도 14b 및 도 14c는 예시적인 실시예에 따라 인터리빙된 길이방향 서브-통로 슬롯들로 분할된 AMR 베드 부근에 입구 파이프와 출구 파이프를 갖는 AMR 베드를 도시한다.
도 15a, 도 15b 및 도 15c는 예시적인 실시예에 따라 하부 입구 영역을 통과하는 다수의 서브-통로 파이프로 AMR 베드에 연결된 상부 입구 영역을 갖는 AMR 베드를 도시한다.
본 명세서에서는 AMR 베드와 그 열원(또는 저온 측 열 교환기(CHEX)) 또는 히트 싱크(또는 고온 측 열 교환기(HHEX)) 사이에서 열 전달 유체를 이송하는 개선된 시스템이 기술된다. 예시적인 실시예에서, AMR 사이클을 구현하는 한 가지 방법은, 휠 조립체에 자기 열량 재료의 섹터-형상의 베드(sector-shaped bed)를 배열하고, 이 섹터-형상의 자석을 사용하여 휠의 섹터-형상의 구획에 자기장을 인가하는 것이다. 자기 열량 재료 베드는 유체 흐름을 위해 다공성이다. 유체 흐름을 운반하는 베드 내의 기공은 고체 매트릭스에서 연결된 다공성 또는 채널이나, 또는 입자들, 판들 또는 스크린들 사이에 연결된 간극을 포함하여 많은 상이한 형태일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 밸브 세트와 펌프가 흐름이 어느 방향으로든 베드를 통해 송신되도록 설치된다. 펌프는 시간 순차화된 밸브를 수반하는 연속적으로 작동하는 펌프이거나, 또는 펌프는 일방향 밸브를 수반하는 왕복운동 변위기이거나, 다른 실시예에서는 다른 장치도 사용될 수 있다. AMR 동작을 위해 휠이 회전되거나 자석이 회전한다. 이 회전은 베드에서 변화하는 자기장을 생성하고, 흐름은 베드를 관통하여 흐르고, 여기서 흐름 방향은 휠 또는 자석의 위치와 동기적으로 밸브에 의해 전환된다.
AMR 사이클의 초기 구현은 전체 내용이 본 명세서에 참고로 병합된 미국 특허 번호 4,332,135에서 찾아볼 수 있다. AMR 사이클은 도 1a 내지 도 1d에 개략적으로 도시된 바와 같이 4개의 단계를 갖는다. 도 1a 내지 도 1d의 MR 시스템은 자기 열량 재료(magnetocaloric material: MCM)의 다공성 베드(190), 및 이 MCM 베드(190)를 통해 흐를 때 MCM과 열을 교환하는 열 전달 유체를 포함한다. 도 1a 내지 도 1d에서, 베드의 좌측은 저온 측이고, 고온 측은 우측이다. 다른 실시예에서, 고온 측과 저온 측은 역전될 수 있다. 유체 흐름의 타이밍과 방향(고온에서 저온으로의 방향 또는 저온에서 고온으로의 방향)은 응용 분야 및 자기장의 제거에 따라 조정될 수 있다. 예시적인 예로서, 자기장은 영구 자석, 전자석 또는 초전도 자석에 의해 제공될 수 있다.
AMR 사이클의 예시적인 예에서, 도 1a에서, 이 사이클의 제1 단계에서 자화가 발생한다. MCM 베드(190) 내에 유체가 정체되는 동안, 자기장(192)이 MCM 베드(190)에 인가되고, 이에 MCM의 온도가 강자성 상전이 온도에 근접하면 이 베드에서 열이 발생한다. 도 1a의 자화 단계에서, 4개의 밸브는 모두 폐쇄되어 있어, MCM 베드(190)를 통한 유체 흐름을 방지한다. 4개의 밸브는 저온 입구 밸브(182), 저온 출구 밸브(184), 고온 출구 밸브(186) 및 고온 입구 밸브(188)를 포함한다. 도 1b에서, 사이클의 제2 단계에서 저온에서 고온으로의 흐름이 발생한다. MCM 베드(190) 위에 자기장(192)이 유지되고 온도(T Ci )(저온 입구 온도)의 유체는 저온 측으로부터 고온 측으로 MCM 베드(190)를 통해 펌핑된다. 저온 입구 밸브(182)와 고온 출구 밸브(186)는 이 단계 동안 개방되어, MCM 베드(190)를 통한 유체의 이동을 용이하게 한다. 저온 출구 밸브(184)와 고온 입구 밸브(188)는 이 단계 동안 폐쇄된다. 유체는 MCM 베드(190)의 각 구획으로부터 열을 제거하고, MCM 베드(190)를 냉각시키고, 유체가 MCM 베드(190)의 다음 구획으로 통과할 때 유체를 가온(warm)시키고, 여기서 공정이 더 높은 온도에서 계속된다. 유체는 종국적으로 온도(T Ho )(고온 출구 온도)에 도달하고, 여기서 유체는 고온 출구 밸브(186)를 통해 MCM 베드(190)를 빠져 나간다. 일반적으로, 이 유체는 고온 측 열 교환기(HHEX)(194)를 통해 순환되고, 여기서 유체는 주변 환경으로 열을 방출한다. 도 1c에서, 탈자화의 제3 단계가 발생한다. 저온 입구 밸브(182)와 고온 출구 밸브(186)가 폐쇄되고 자기장(192)이 제거될 때 유체 흐름이 종료된다. 저온 출구 밸브(184)와 고온 입구 밸브(188)는 이 단계 동안 또한 폐쇄된다. 이에 의해 MCM 베드(190)가 더 냉각된다. 도 1d에서 사이클의 마지막 단계에서, 고온에서 저온으로의 흐름이 발생한다. 이 마지막 단계 동안, 온도(T Hi )(고온 입구 온도)의 유체는 자기장(192)이 연속적으로 존재하지 않을 때 고온 측으로부터 저온 측으로 MCM 베드(190)를 통해 펌핑된다. 또한 이 단계에서, 저온 출구 밸브(184)와 고온 입구 밸브(188)는 개방되는 반면, 저온 입구 밸브(182)와 고온 출구 밸브(186)는 폐쇄된다. 유체는 MCM 베드(190)의 각 구획에 열을 가하고 MCM 베드(190)를 가온시키고, 유체가 MCM 베드(190)의 다음 구획으로 진행할 때 유체를 냉각시키며, 여기서 공정은 더 낮은 온도에서 계속된다. 유체는 종국적으로 사이클에서 유체가 도달하는 가장 차가운 온도인 온도(T Co )(저온 출구 온도)에 도달한다. 일반적으로, 이 더 차가운 유체는 저온 측 열 교환기(CHEX)(196)를 통해 순환되고, 여기서 유체는 냉동 시스템으로부터 열을 흡수하여 이 시스템이 저온을 유지하게 한다.
AMR 사이클의 주요 장점은 전체 내용이 본 명세서에 참고로 병합된 문헌(K.L. Engelbrecht, G.F Nellis, S.A Klein, and C.B. Zimm, "Recent Developments in Room Temperature Active Magnetic Regenerative Refrigeration", HVAC&R Research, 13(2007) pp.525-542(이하 "Engelbrecht 등"))에 언급되어 있다. 이 장점은, 범위(열이 배출되는 온도에서 열이 흡수되는 온도를 뺀 온도)가, 자기장이 가해질 때 자기 열량 재료의 온도 변화의 절대 값(단열 온도 변화, 델타(delta)-T ad )보다 훨씬 더 클 수 있다는 것이다.
AMR 사이클의 4개의 단계의 실행을 완료하는 데 걸리는 시간은 사이클 시간이라고 언급되고, 그 역은 사이클 주파수라고 알려져 있다. MR 시스템의 온도 범위는 입구 유체 온도의 차이인 T Hi -T Ci 로 정의된다. AMR 사이클은, 가스 압축(가스에서 열이 발생됨)이 자화의 역할을 하고, 가스의 자유 팽창(가스의 온도가 떨어짐)이 탈자화(demagnetization)의 역할을 하는 증기 압축 사이클과 유사하다. 증기 압축 사이클에서, 열 전달 유체는 열 전달을 돕기 위해 CHEX와 HHEX에서 상을 변화시킨다. 이러한 위상 변화는 AMR 사이클의 CHEX와 HHEX에서 발생할 필요는 없지만, 물과 같은 단상의 열 전달 계수가 높은 유체가 사용될 수 있다. 도 1a 내지 도 1d는 단일-베드 MR 시스템의 동작을 도시하지만, 대안적인 실시예에서, 동일한 AMR 사이클을 각각 거치는 다중 베드가 단일 시스템으로 결합되어, 냉각 능력(cooling power)을 증가시키거나, 시스템 크기를 감소시키거나 또는 그 밖에 AMR 사이클의 이행을 개선시킬 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 2개의 AMR 베드를 갖는 AMR 사이클의 예시적인 실시예를 도시한다. 또한 도 2a 및 도 2b에서, MCM의 온도는 상자성에서 강자성으로의 전이에 근접하여, 이 경우 자기장이 가해질 때 MCM은 가온되고 자기장이 제거될 때 MCM은 냉각된다고 가정된다. 또한 반강자성 전이 부근의 온도에서 MCM을 사용할 수도 있는데, 이 경우 AMR 사이클은 유사한 방식으로 동작하지만 자기장이 가해질 때 MCM은 냉각되고 자기장이 제거될 때 가온된다.
도 2a에서, 펌프(1)는 고온 측 열 교환기(HHEX)(2)를 통해 고온 출구 온도(T ho )에서 열 전달 유체(HTF)를 구동하는데, 여기서 HTF는 열을 환경으로 방출하고 고온 입구 온도(T hi )로 냉각된다. HTF는 고온 입구 밸브(3)에 진입한다. 고온 입구 밸브(3)는 파이프(15 및 18)를 통해 HTF를 자석(9) 외부의 위치(11)에 인접하여 탈자화된 상태인 자기 열량 재료(MCM)의 다공성 베드(4)의 고온 단부로 지향시킨다. HTF는 MCM 베드(4)를 통해 저온 출구 온도(T co )로 흐를 때 냉각되고, 파이프(22)를 통해 저온 측 열 교환기(CHEX)(6)로 지향되고, 여기서 HTF는 부하로부터 열을 흡수하고, 저온 입구 온도(T ci )로 가온된다. 유체는 파이프(24)를 통해 자화된 상태의 자석(9) 내부에 있는 MCM의 다공성 베드(8)의 저온 단부로 지향된다. MCM 베드(8)는 자석(9)에 의해 현재 점유된 위치(20)에 인접하여 자화 상태에 있다. HTF는 MCM 베드(8)를 통해 흐를 때 온도(T ho )로 가온되고, 파이프(26 및 13)를 통해 고온 출구 밸브(10)로 지향되어 유체 사이클을 완료한다. 시간 기간(T b ) 후에, 자석(9)은 MCM 베드(8)와 위치(20)로부터 제거되어 MCM 베드(4) 위 위치(11)로 이동되고, 밸브(10 및 3)가 전환되어 도 2b에 도시된 상황이 생성된다. 다시, 펌프(1)는 열 전달 유체(HTF)를 HHEX(2)를 통해 온도(T ho )에서 구동하며, 여기서 HTF는 열을 환경으로 방출하고 온도(T hi )로 냉각된다. HTF는 고온 입구 밸브(3)에 진입한다. 고온 입구 밸브(3)는 파이프(17 및 26)를 통해 HTF를 자석(9) 외부의 위치(20)에 인접하여 탈자화된 상태에 있는 MCM 베드(8)의 고온 단부로 지향시킨다. HTF는 MCM 베드(8)를 통해 흐를 때 온도(T co )로 냉각되고, 파이프(24)를 통해 CHEX(6)로 지향되고, 여기서 HTF는 부하로부터 열을 흡수하여 온도(T ci )로 가온된다. 그 후, HTF는 파이프(22)를 통해 현재 위치(11)를 점유하고 있는 자석(9) 내 자화 상태에 있는 MCM 베드(4)의 저온 단부로 지향된다. HTF는 MCM 베드(4)를 통해 흐를 때 온도(T ho )로 가온되고, 파이프(18 및 19)를 통해 고온 출구 밸브(10)로 지향되어, 유체 사이클이 완료된다. 시간 기간(T b ) 후에, 자석(9)은 위치(11)와 MCM 베드(4)로부터 다시 제거되어 위치(20)와 MCM 베드(8)로 복귀되고, 밸브(10 및 3)가 전환되어, 도 2a에 도시된 상황이 다시 생성된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 2개의 흐름 기간은, 밸브가 스위칭되고 자석(9)이 MCM 베드(8)로부터 MCM 베드(4)로 이동하고 나서 다시 MCM 베드(8)로 이동하는 것과 함께, 하나의 AMR 사이클을 구성한다.
상당한 온도 범위에 걸쳐 열을 전달하는 냉동기로서 AMR 사이클을 효율적으로 동작시키려면 MCM 재료 전체에 걸쳐 2 방향의 흐름이 균형을 이룰 것을 요구하는데, 즉, 사이클에서 저온에서 고온으로의 전체 흐름이 이후 고온에서 저온으로의 전체 흐름과 동일한 크기일 것을 요구한다. 통상 유체 흐름을 위해 다공성인 베드(AMR 베드) 형태로 되어 있는 MCM은 자기장의 변화가 커야 상당한 자기 열량 효과가 생성된다. 큰 자기장은 하나 이상의 값비싼 높은 자계 자석에 의해 생성될 수 있다. 자화된 베드와 연결되는 임의의 HEX는 높은 자기장 영역을 많이 소모하지 않기 위해 자석 에어 갭 외부에 위치해야 한다. HEX는 파이프의 길이에 의해 AMR 베드에 연결될 수 있다. AMR과 관련하여 열원과 싱크의 위치에 대한 실제 고려사항은 매우 긴 파이프 길이를 수반할 수 있다. 하나의 예로는 HHEX가 건물 지붕에 있을 수 있는 대형 건물의 에어컨이며, 다수의 CHEX가 건물 전체에 걸쳐 위치될 수 있다.
AMR-형 자기 냉동기에서의 유체 흐름을 기술하기 위한 유용한 파라미터는 이용률(utilization ratio)인데, 이 이용률은 AMR 베드에서의 MCM의 열 용량에 대한 1/2 사이클 동안 AMR 베드를 통해 흐르는 유체의 열용량의 비율이다. 유체 질량 흐름률(f), 반 주기에서의 흐름 시간(T), MCM 질량(m), MCM 평균 비열용량(C pm ), 유체 비열용량(C pf )에 대해, 이용률은 다음 수식과 같다:
수식 1: U =(f T C pf )/(m C pb )
이용률이 2보다 훨씬 큰 경우, 재생기로서 작용하는 AMR 베드는 큰 온도 범위를 지원할 수 없다. 역으로, 이용률이 0.1보다 훨씬 작은 경우, 사이클당 냉각 부하(cooling load)는 상대적으로 낮아서, 자기장을 바꾸고 흐름을 역전시키는 것과 관련된 마찰 손실은 AMR 베드의 잠재적 냉각 부하를 많이 소모한다.
저밀도 가스상 열 전달 유체가 사용된 경우, 반 사이클(스위프 볼륨(swept volume))에서 AMR 베드(들)를 통해 이동된 유체의 볼륨은, 저밀도 가스상 열 전달 유체의 볼륨 열용량이 고체 자기 열량 재료의 열 용량보다 훨씬 더 작기 때문에, 적절한 이용 인자에서 AMR 베드(들)의 볼륨보다 훨씬 더 클 수 있다. 상당한 냉각 능력이 요구되는 경우, 필요한 높은 볼륨의 열 전달 유체를 AMR 베드를 통해 이동시킬 때의 흐름 손실이 커서 AMR의 효율을 크게 떨어뜨릴 수 있다. 이 문제에 대한 해결책은 물과 같은 볼륨 열 용량이 큰 액체 열 전달 유체를 사용하는 것이다. 그러나 이 경우 적절한 이용 인자에서 스위프 볼륨은 AMR 베드의 볼륨과 동일한 정도가 되며 또한 AMR 베드를 HEX에 연결하는 파이프의 볼륨과 동일한 정도가 된다.
스위프 볼륨이 파이프의 볼륨보다 훨씬 크지 않을 때, 그리고 양방향 흐름을 갖는 단일 파이프가 HEX를 AMR 베드에 연결할 때, 파이프에서 흐르는 유체의 대부분은 HEX와 AMR 베드 모두에 실질적으로 노출되지 않아서, 따라서 AMR 베드와 HEX 사이에 열을 효과적으로 전달하지 않는다. 이런 유형의 손실은 일반적으로 셔틀 손실(shuttle loss) 또는 데드 볼륨 손실(dead volume loss)이라고 언급된다. 예를 들어, 스위프 볼륨이 도 2a의 파이프(24)에서의 볼륨보다 더 작으면, 베드(8)가 자화될 때 초기에 CHEX(6) 내 유체는 유체 흐름 기간의 종료시까지 베드(8)에 도달하지 않아서, 따라서 베드(8)에 열을 전달하지 않는다. 파이프 데드 볼륨의 악영향을 감소시키는 방법은 미국 특허 번호 5,934,078(왕복 운동식 능동 자기 재생기 냉동 장치(Reciprocating active magnetic regenerator refrigeration apparatus)) 및 상기 특허에 기초한 장치에 관한 논문(C. Zimm, A. Jastrab, A. Sternberg, V. Pecharsky, K. Gschneidner, Jr., M. Osborne, and I. Anderson, "Description and Performance of a Near-Room Temperature Magnetic Refrigerator", Advances in Cryogenic Engineering, 43, pp. 1759 - 1766(1998), 이하 Zimm, Jastrab 등)에 설명되어 있다. 이 개념에 대한 더 상세한 설명은 미국 특허 번호 6,526,759(회전식 베드 자기 냉동 장치(Rotating bed magnetic refrigeration apparatus)) 및 이 특허에 기초한 장치에 관한 논문(C. Zimm, A. Boeder, J. Chell, A. Sternberg, A Fujita, S. Fujieda, and K. Fukamichi, "Design and Performance of a Permanent Magnet Rotary Refrigerator", International Journal of Refrigeration, Vol. 29, pp. 1302-1306 (2006), 이후 Zimm, Boeder 등)에 설명되어 있다. 이 방법은, AMR 베드의 일 단부와 HEX 사이에 2개의 파이프를 제공하고, 밸브 또는 기타 구성 요소를 사용하여 제1 파이프 내의 유체가 HEX 출구로부터 AMR 베드로 단일 방향으로만 흐르게 하고 제2 파이프 내의 유체가 AMR 베드로부터 HEX 입구로 단일 방향으로만 흐르게 하는 것이다. 이 단방향 파이프 흐름의 경우, HEX를 통과하는 모든 유체는 종국적으로 또한 제1 파이프를 통과하여 AMR 베드에 도달하며, HEX로 가는 도중에 AMR 베드를 나가는 모든 유체는 제2 파이프와 HEX를 통과한다.
도 3a 및 도 3b는 2개의 AMR 베드와 파이프 내 단방향 흐름을 갖는 AMR 사이클의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 3a에서, 펌프(1)는 고온 측 열 교환기(HHEX)(2)를 통해 고온 출구 온도(T ho )에서 열 전달 유체(HTF)를 구동하고, 여기서 HTF는 열을 환경으로 방출하고 고온 입구 온도(Thi)로 냉각된다. HTF는 고온 입구 밸브(3)로 들어간다. 고온 입구 밸브(3)는 파이프(15)를 통해 HTF를 자석(9) 외부의 위치(11)에 인접하여 탈자화된 상태에 있는 자기 열량 재료(MCM)의 다공성 베드(4)의 고온 단부로 지향시킨다. HTF는 MCM 베드(4)를 통해 흐를 때 저온 출구 온도(T co )로 냉각되고, 파이프(23)를 통해 저온 출구 밸브(5)로 지향된다. 저온 출구 밸브(5)는 HTF를 저온 측 열 교환기(CHEX)(6)로 지향시키고, 여기서 HTF는 부하로부터 열을 흡수하여 저온 입구 온도(T ci )로 가온된다. 유체는 저온 입구 밸브(7)에 들어가고, 파이프(25)를 통해 자화 상태에 있는 자석(9) 내부에 있는 MCM의 다공성 베드(8)의 저온 단부로 지향된다. MCM 베드(8)는 자석(9)에 의해 현재 점유된 위치(20)에 인접하여 자화된 상태에 있다. HTF는 MCM 베드(8)를 통해 흐를 때 온도(T ho )로 가온되고, 파이프(13)를 통해 고온 출구 밸브(10)로 지향되어 유체 사이클이 완료된다. 시간 기간 후(T b ) 후에, 자석(9)은 MCM 베드(8)와 위치(20)로부터 제거되고 MCM 베드(4) 위 위치(11)로 이동되고, 밸브(10, 3, 5 및 7)가 전환되어 도 3b에 도시된 상황이 생성된다. 다시, 펌프(1)는 HHEX(2)를 통해 온도(T ho )에서 열 전달 유체(HTF)를 구동하고, 여기서 HTF는 열을 환경으로 방출하고 온도(T hi )로 냉각된다. HTF는 고온 입구 밸브(3)에 들어간다. 고온 입구 밸브(3)는 파이프(17)를 통해 HTF를 자석(9) 외부의 위치(20)에 인접하여 탈자화된 상태에 있는 MCM 베드(8)의 고온 단부로 지향한다. HTF는 MCM 베드(8)를 통해 흐를 때 온도(T co )로 냉각되고, 파이프(29)를 통해 저온 출구 밸브(5)로 지향된다. 저온 출구 밸브(5)는 HTF를 CHEX(6)로 지향시키고, 여기서 HTF는 부하로부터 열을 흡수하여 온도(T ci )로 가온된다. HTF는 저온 입구 밸브(7)에 들어가고, 파이프(27)를 통해 현재 위치(11)를 점유하고 있는 자석(9) 내부의 자화 상태에 있는 MCM 베드(4)의 저온 단부로 지향된다. HTF는 MCM 베드(4)를 통해 흐를 때 온도(T ho )로 가온되고, 파이프(19)를 통해 고온 출구 밸브(10)로 지향되어 유체 사이클이 완료된다. 시간 기간(T b ) 후에, 자석(9)은 위치(11)와 MCM 베드(4)로부터 다시 제거되고 나서 위치(20)와 MCM 베드(8)로 복귀되고, 밸브(10 및 3)는 전환되어, 도 3a에 도시된 상황이 다시 생성된다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 파이프(13, 15, 17, 19, 23, 25, 27 및 29) 각각에 대해, 흐름은 단 하나의 방향으로만 발생한다.
열 교환기로부터 베드로 파이프 내에서 단방향으로 흐르는 것과 AMR 베드 내에서 양방향으로 흐르는 것 사이에 전이 영역이 발생한다. 미국 특허 번호 5,934,078에서, 열 교환기로부터 단방향 파이프는 환형 베드의 내부 반경에 중심 루멘(lumen)을 갖는 4개의 구획으로 구성된다(미국 특허 번호 5,934,078의 도 4 및 도 6). 단방향 흐름으로부터 양방향 흐름으로 전이하는 것은 AMR 베드 바로 외부에서 발생했다. 이 배열은 낮은 데드 볼륨을 가졌지만, 저온 HEX로부터 나오는 흐름의 대부분은 나중에 베드를 나와서 저온 HEX로 가는 흐름과는 다른 위치에서 베드로 들어갔다. 유사하게 고온 HEX로부터 나오는 흐름의 대부분은 나중에 베드를 나와서 고온 HEX로 가는 흐름과는 다른 위치에서 베드로 들어갔다. 그 결과, 입구 포트와 출구 포트 근처의 AMR 베드 부분이 한 방향으로만 흐르게 노출되었다. 하나의 방향으로만 흐르게 된 AMR 베드의 영역은 AMR 사이클을 정확히 거치지 못하여, 장치의 냉각 능력에 기여하지 못했다. 제2 문제는 베드의 단부 근처의 각 방향으로 단방향 흐름이 베드의 단부 근처의 영역의 일부에만 집중되어 단위 단면적당 더 높은 흐름률로 흐르게 되어, 훨씬 더 높은 압력 강하 손실이 생성되어, 장치의 효율이 감소된다는 것이었다.
미국 특허 번호 6,526,759에서는 흐름의 분배 영역이 한 쌍의 단방향 저온 흐름 파이프와 베드의 저온 단부 사이의 전이 영역에 추가되었다(미국 특허 번호 6,526,759의 도 2의 항목 41). 이후에 플레넘이라고 불리우는 흐름 분배 영역을 도입해서, 저온 HEX로부터 유체를 수용하는 베드의 입구 영역이 저온 HEX로 유체를 공급하는 베드의 출구 영역과 동일한 것을 보장한다. 이러한 배열은 AMR 베드 전체에 걸쳐 양방향 흐름을 허용하고, 베드의 단부 영역에서의 압력 강하를 감소시키지만, 장치의 플레넘에 데드 볼륨을 생성한다.
미국 특허 번호 5,934,078 및 6,526,759에 개시된 데드 볼륨 문제를 해결하는 접근법은 단방향 흐름을 거친 AMR 베드 영역의 크기와 데드 볼륨의 크기를 트레이드오프(trade off)시켰다. 이들 특허 문헌에 개시된 초기 장치들 모두에서, 각 AMR 베드 내부의 전체 흐름 경로는 상대적으로 길었는데, 즉 미국 특허 번호 5,934,078에 기재된 장치에서는 10cm이고, 미국 특허 번호 6,526,759에 기재된 장치에서는 6cm이었다. 두 경우, 베드에서의 흐름 경로의 길이는 베드의 폭보다 더 컸다. 베드에서의 흐름 경로의 길이 대 베드의 폭의 비율인 종횡비는 두 장치 모두에서 2보다 더 컸다. 따라서 베드 내부의 단방향 흐름 영역의 크기 또는 베드 입구의 플레넘의 크기는 이들 과거 장치에서 비교적 작을 수 있다. 자기 열량 재료의 단위 질량당 더 높은 냉각 능력(더 높은 비냉각 능력)을 갖는 보다 비용 효과적인 AMR 장치를 얻는 것은 AMR 베드에서 더 높은 흐름률과 더 짧은 흐름 경로를 수반하는데, 이는 AMR 베드에서 데드 볼륨과 단방향 흐름 영역 모두에 보다 심하게 악영향을 미친다. 따라서 이전의 방법들은 미래의 높은 비냉각 능력 AMR 장치에는 적합하지 않을 수 있다.
예시적인 예에서, 도 4는 MCM 재료의 베드가 자기장을 통해 회전되는 휠 조립체 내에 배열되는 AMR 사이클의 일 실시예를 도시한다. 자기 냉동기(93)는 자기 열량 재료(72)를 포함하는 회전 베드(71)를 포함한다. 베드(71)가 자석(73)의 갭 내로 회전할 때 자기장이 인가된다. 펌프(70)는 열 전달 유체(74)의 흐름을 고온 열 교환기(75)를 통해 고온 고정자 디스크(77) 상의 내부 슬롯(76)으로 구동한다. 유체는 회전하는 고온 디스크(79) 내의 한 세트의 내부 구멍(78)을 통해 고온 유체 입구 파이프(80)로 통과하고, 이 고온 유체 입구 파이프는 자석(73)의 외부에 있고 낮은 자기장에 있는 베드(71) 부분으로 유체를 운반한다. 유체는 낮은 자기장에 있는 자기 열량 재료(72) 부분을 통과할 때 냉각되고 나서, 이후 회전하는 저온 디스크(83) 내의 내부 구멍(82)으로 유체를 운반하는 저온 출구 파이프(81)를 통해 베드를 빠져 나간다. 유체는 저온 고정자 디스크(85)의 내부 슬롯(84)을 통과하고 나서, 저온 열 교환기(86)를 통해 저온 고정자 디스크(85)의 외부 슬롯(87)으로 흐른다. 그 후, 유체는 저온 회전 디스크(83)의 외부 구멍(88)을 통해 저온 입구 파이프(89)로 흐르고, 이 저온 입구 파이프는 높은 자기장에 있는 자석(73) 내에 있는 베드(71) 부분으로 유체를 운반한다. 유체는 높은 자기장에 있는 자기 열량 재료(72) 부분을 통과할 때 가온되고 나서, 회전하는 고온 디스크(79)의 외부 구멍(91)으로 유체를 운반하는 고온 출구 파이프(90)를 통해 베드를 빠져 나간다. 유체는 고온 고정자 디스크(77)의 외부 슬롯(92)을 통과하고 나서 펌프(70)로 흐른다.
자기장의 변화와 동기적으로 베드를 통한 흐름을 주기적으로 역전시키면 AMR 사이클의 열 펌핑 능력이 가능할 수 있다. 자기장이 있는 곳에서는 베드의 저온에서 고온 측으로 흐르는 흐름이 HHEX로 열을 구동하는 반면, 자기장이 없는 곳에서는 베드의 고온에서 저온 측으로 흐르는 흐름이 CHEX로부터 열을 제거한다. 자기장의 변화는 자석에 의해 제공되는데, 자석의 질량은 제공해야 하는 높은 자기장 영역의 볼륨에 비례한다(문헌[S.L. Russek and C.B. Zimm, Potential for cost effective magnetocaloric air conditioning systems, International Journal of Refrigeration, Volume 29, Issue 8, December 2006, Pages 1366-1373](이하 "Russek 등")). AMR-형 자기 냉동기의 예상 비용은 자석에 의해 좌우되는데, 자석의 비용은 질량에 비례한다(Russek 등). AMR 베드는 AMR 사이클을 거치기 위해 자석의 높은 자기장 영역을 통과한다. 그러나, 높은 자기장의 영역의 볼륨과 자석의 비용을 최소화하기 위해, 높은 자기장의 영역 밖에 CHEX와 HHEX를 배치하는 것이 유리하다. 열 교환기가 자기장 외부에 위치하고 베드가 자기장을 통과하는 경우 파이프가 베드와 HEX 사이에서 유체를 운반하는 데 사용된다. 예를 들어, 도 4에서, 파이프(80, 81, 89 및 90)는 자기 열량 베드와 HEX 사이에서 유체를 운반하도록 제공된다.
도 5는 도 4의 구성과 유사한 구성의 AMR 사이클의 실시예의 MCM 베드 및 관련 파이프의 추가적인 상세를 도시한다. 고온 입구 파이프(80)는 상부로부터 내려오고, AMR 베드(71)의 상부측에 연결된 상부 플레넘(102)에서 종료된다. 일 실시예에서, AMR 베드(71)는 0.2 미만의 평균 종횡비(흐름 길이를 폭으로 나눈 값)를 갖는다. 또한 고온 출구 파이프(90)는 상부 플레넘에 연결되고 이로부터 상승한다. 저온 입구 파이프(89)는 아래로부터 상승하고, AMR 베드(71)의 하부 측에 연결된 하부 플레넘(106)에서 종료된다. 저온 출구 파이프(81)는 또한 하부 플레넘(106)에 연결되고, 하부 플레넘(106)으로부터 아래로 내려간다. 상부 플레넘(102)과 하부 플레넘(106)이 충분한 깊이를 가지면, 파이프(80)로부터의 입구 흐름과 파이프(81)로부터의 출구 흐름은 고온으로부터 저온으로의 흐름 기간 동안 AMR 베드(71)의 전체 상부면과 하부면에 걸쳐 분배되고, 따라서 AMR 베드(71)는 상당히 균일한, 고온에서 저온으로의 흐름을 경험할 것이다. 유사하게, 흐름이 역전될 때, 파이프(89 및 90)로부터의 흐름은 AMR 베드의 전체 하부면과 상부면에 걸쳐 분배되고, 따라서 AMR 베드(71)는 상당히 균일한, 저온에서 고온으로의 흐름을 경험할 것이다. 그러나, 고온에서 저온으로의 흐름의 종료시에 하부 플레넘(106)에 남아있는 유체는 저온 HEX를 통과하지 못하여 열을 흡수하지 못한다. 대신, 유체는 저온에서 고온으로의 흐름 동안 AMR 베드(71)로 직접 밀려 올라가거나, 또는 저온 HEX를 떠나는 유체와 혼합되고 나서, AMR 베드(71)로 밀려 올려간다. 유사하게, 저온에서 고온으로의 흐름의 종료시에 상부 플레넘(102)에 남아있는 유체는 고온 HEX를 통과하지 못한다. 대신, 유체는 고온에서 저온으로의 흐름 동안 AMR 베드(71)로 아래로 밀려 내려가거나, 또는 고온 HEX를 떠나는 유체와 혼합되고 나서, AMR 베드(71)로 아래로 내려간다. 이 데드 볼륨 효과는, 데드 볼륨 효과를 보상하기 위해 조절되는 시스템 파라미터가 무엇인지에 따라 AMR 시스템의 냉동 능력, 또는 온도 범위, 또는 효율을 감소시킬 수 있다. 데드 볼륨 영역은 도 5의 조립체의 경우와 같이 베드의 종횡비가 낮을 때 스위프 볼륨에 비해 상대적으로 높아서, 데드 볼륨 효과는 낮은 종횡비의 AMR 시스템의 성능에 심각한 영향을 미친다.
도 6은 도 5와 유사한 기하 구조이지만, 장벽 부재(111 및 112)가 상부 플레넘과 하부 플레넘이었던 것으로 삽입되어 각각의 플레넘을 2개의 개별 채널들로 분할한다. 고온 입구 파이프(80)는 위로부터 아래로 내려오고, AMR 베드(71)의 상부 좌측에 연결된 고온 입구 채널(114)에서 종결된다. 저온 출구 채널(116)은 AMR 베드(71)의 하부 좌측에 연결되고, 또한 저온 출구 채널(116) 아래 저온 출구 파이프(81)에 연결된다. 저온 출구 파이프(89)는 아래로부터 상승하고, AMR 베드(71)의 하부 우측에 연결된 저온 입구 채널(119)에서 종결된다. 고온 출구 채널(110)은 AMR 베드(71)의 상부 우측에 연결되고, 또한 고온 출구 채널(110)로부터 상승하는 고온 출구 파이프(90)에 연결된다.
유한 요소 유체 흐름 모델은 도 6의 기하 구조로 구성되었고, 물의 점도와 밀도를 갖는 비압축성 유체에 대해 나비에르-스토크스(Navier-Stokes) 방정식에 따라 발생되어야 하는 유체 흐름이 결정되었다. 도 7은, 유체가 하부 우측에 있는 저온 입구 파이프에 들어가서, 높이가 14㎜인 AMR 베드를 통해 흐르고, 상부 우측에 있는 고온 출구 파이프에서 빠져나가는 경우에 대한 계산 결과를 보여준다. 베드 내 두 평면을 가로 지르는 흐름의 강도가 표시되는데, 여기서 하나의 평면은 베드의 상부에서 2㎜ 아래에 있고, 다른 평면은 베드의 하부에서 2㎜ 위에 있다. 대안적인 실시예에서, 상이한 치수가 사용될 수 있다. 상부 플레넘과 하부 플레넘을 입구 영역과 출구 영역으로 분할하는 것에 의해 데드 볼륨 효과가 크게 감소한다. 그러나 도 7에서 베드 내부의 흐름 강도를 조사할 때, 베드의 우측은 대부분 저온에서 고온으로의 흐름을 보고, 이에 대응하여 그 다음 절 주기에서 베드의 좌측은 대부분 고온에서 저온으로의 흐름을 본다. 도 6의 장벽 부재(111 및 112)를 통해 이어지는 중심 평면에 근접하지 않은 베드 부분은 AMR 사이클을 실행하는데 필요한 정확한 균형 맞는 양방향 흐름을 보지 못한다. 이 효과는 베드의 길이가 베드의 폭보다 더 작을 때 가장 심각하고, 베드를 포함하는 AMR 시스템의 성능(보정하기 위해 조정되는 시스템 파라미터가 무엇인지에 따라 냉동 능력 또는 온도 범위 또는 효율)이 크게 저하될 수 있다. 나아가, 단 하나의 방향으로의 흐름만을 보는 입구와 출구 근처 영역들도 흐름이 더 작은 영역에 집중되기 때문에 더 높은 피크 흐름을 보기 때문에 더 높은 압력 강하를 겪게 된다.
도 8은 또한 도 5와 유사한 기하 구조이지만, 장벽 부재(111 및 112)가 상부 플레넘과 하부 플레넘이었던 것으로 삽입되어 각각의 플레넘을 2개의 개별 채널로 분할한다. 이 경우 입구와 출구는 베드의 대향하는 측들에 스태거되게 배치된다. 고온 입구 파이프(80)는 위로부터 아래로 내려오고, AMR 베드(71)의 상부 우측에 연결된 고온 입구 채널(114)에서 종결된다. 저온 출구 채널(116)은 AMR 베드(71)의 하부 좌측에 연결되고, 또한 저온 출구 채널(116) 아래 저온 출구 파이프(81)에 연결된다. 저온 출구 파이프(89)는 하부로부터 상승하고, AMR 베드(71)의 하부 우측에 연결된 저온 입구 채널(119)에서 종결된다. 고온 출구 채널(110)은 AMR 베드(71)의 상부 좌측에 연결되고, 또한 고온 출구 채널(110)로부터 상승하는 고온 출구 파이프(90)에 연결된다.
유한 요소 유체 흐름 모델은 도 8의 기하 구조로 구성되었고, 물의 점도와 밀도를 갖는 비압축성 유체에 대해 나비에르-스토크스 방정식에 따라 발생되어야 하는 유체 흐름이 결정되었다. 도 9는, 유체가 상부 우측에 있는 고온 입구 파이프로 들어가고, AMR 베드를 통해 흐르고, 하부 좌측에 있는 저온 출구 파이프를 빠져나가는 경우, 하나의 수평면은 상부로부터 2㎜에 있고, 다른 수평면은 하부로부터 2㎜에 있는, 2개의 수평면에 대해 높이 14㎜의 베드에 대한 계산 결과를 보여 준다. 대안적인 실시예에서, 상이한 치수가 사용될 수 있다.
도 7 및 도 9의 흐름 영역을 비교할 때, 베드의 대향하는 측면들에 대해 입구 영역과 출구 영역이 스태거링(staggering)하는 것이 정확히 균형 잡힌 AMR 흐름을 겪는 영역을 증가시켜, 스태거되지 않은 경우의 베드에 비해 베드의 성능을 증가시키는 것이 명백하다. 그러나, 상당한 흐름 불균일성이 여전히 발생하며, 도 8의 베드의 장벽 부재(111 및 122) 근처의 베드의 영역은 베드의 상부 좌측 및 하부 우측 근처의 영역보다 도 9에서 더 많은 흐름을 보여준다. 흐름이 역방향으로 발생하면, 장벽 부재(111 및 122) 부근 베드에 유사한 흐름 과잉이 나타나고, 흐름 부족이 베드의 상부 우측과 하부 좌측에 나타난다. 실질적으로 단 하나의 방향으로 흐름을 나타내는 베드의 영역은 AMR 사이클을 적절히 수행하지 못하여, 따라서 장치의 성능에 대한 기여가 감소된다. 나아가, 더 작은 영역에 집중된 더 높은 피크 흐름을 나타내는 베드의 입구와 출구 근처 영역은 더 높은 압력 강하를 겪는다. 그러나, 장벽 부재(111 및 112)에 의해 유입과 유출 흐름을 분리하면 데드 볼륨 효과를 상당히 감소시킬 수 있다. 입구 채널로 들어가는 흐름의 대부분은 HEX로부터 나온 것이며, 이후 AMR 베드로 들어간다. AMR 베드를 떠나 출구 채널로 가는 흐름의 대부분은 이후 HEX에 도달한다.
도 10은, 도 5, 도 6 및 도 8의 흐름 구성과 유사하지만, 각각의 입구 및 출구 채널이 서브-통로로 분할되고, 11개의 개별 슬롯으로 AMR 베드(71)에 연결된, 흐름 배열을 도시한다. 대안적인 실시예들에서, 상이한 수의 슬롯이 사용될 수 있다. 흐름을 분리하고 분배하는 것은 도 6 및 도 8에 사용된 장벽 부재 대신에 사용되는 흐름 삽입물(122, 123)에 의해 달성된다. AMR 베드(71)의 상부에 있는 11개의 입구 슬롯(124)과 11개의 출구 슬롯(125)은 인터리빙되고, 베드(71)의 하부에 있는 11개의 입구 슬롯(126)과 11개의 출구 슬롯(127)도 인터리빙된다. 각각의 슬롯은 베드(71)의 우측과 좌측 양측 위로 연장된다. 고온 입구 파이프(80)는 위로부터 아래로 내려오고, 고온 입구 채널(114)에서 종료되고, 이 고온 입구 채널은 AMR 베드(71)의 우측 부분 위로 연장되고 11개의 슬롯(124)에 연결되고, 이들 슬롯은 입구 채널(114)의 하부 벽을 통해 AMR 베드(71)의 상부 우측에 연결되고, 고온 출구 채널(110) 아래의 슬롯의 연속을 통해 AMR 베드(71)의 좌측에 연결된다. 저온 출구 채널(116)은 출구 채널(116)의 상부 벽을 통해 AMR 베드(71)의 하부 우측에 그리고 저온 입구 채널(112) 아래의 슬롯의 연속을 통해 AMR 베드(71)의 좌측에 11개의 슬롯(127)을 통해 연결되고, 또한 저온 출구 채널(116) 아래 저온 출구 파이프(81)에 연결된다. 저온 입구 파이프(89)는 아래로부터 상승하고, 저온 입구 채널(112)에서 종료하고, 이 저온 입구 채널은 AMR 베드(71)의 좌측 부분 아래로 연장되고, 채널(112)의 상부 벽에 11개의 슬롯(126)을 통해 AMR 베드(71)의 하부 좌측 부분에 연결되고, 저온 출구 채널(116) 아래의 슬롯의 연속을 통해 AMR 베드(71)의 하부 우측 부분에 연결된다. 고온 출구 채널(110)은 채널(110)의 하부 벽에 절단된 11개의 슬롯(125)을 통해 AMR 베드(71)의 상부 좌측에 연결되고, 고온 입구 채널(114) 아래의 슬롯(125)의 연속을 통해 AMR 베드(71)의 상부 우측에 연결되고, 또한 고온 출구 채널(110)로부터 상승하는 고온 출구 파이프(90)에 연결된다.
유한 요소 유체 흐름 모델은 도 10의 것과 유사한 인터리빙된 슬롯 구성을 갖는 기하 구조로 구성되었고, 물의 점도와 밀도를 갖는 비압축성 유체에 대해 나비에르-스토크스 방정식에 따라 발생해야 하는 유체 흐름이 결정되었다. 도 11은, 흐름이 고온 입구 파이프(도 10에서 80)로 들어가서, 길이 14㎜의 AMR 베드(71)를 통해 흐르고, 저온 출구 파이프(81)를 빠져 나가는 것에 대응하는 경우에, 하나의 수평면이 베드의 상부로부터 2㎜에 있고 다른 수평면이 베드의 하부로부터 2㎜에 있는, 2개의 수평면을 가로 지르는 흐름 강도의 계산 결과를 보여준다.
도 11의 경우, 다수의 저온 입구 슬롯 또는 다수의 고온 출구 슬롯에 매우 가까운 베드 영역은 단 하나의 방향으로만, 즉 고온에서 저온으로만 약간 더 큰 흐름을 볼 것으로 예상된다. 그러나 흐름 변화의 양은 베드의 단부들과 이 흐름을 보여주는 평면들 사이에 2㎜ 거리의 매우 작은 차이로 이미 감소했다. 실질적으로 단 하나의 방향으로만 흐름을 나타내는 베드 영역으로부터 성능의 손실은 이들 영역이 매우 작은 볼륨이기 때문에 매우 작을 것이다. 나아가, 입구 슬롯과 출구 슬롯 근처의 집중된 흐름 영역은 깊이가 매우 제한되어 있기 때문에 압력 강하가 거의 증가하지 않는다. 나아가, 흐름 삽입 부재(122, 123)에 의해 입구 및 출구 흐름을 분리하면 데드 볼륨 효과를 감소시킬 수 있다. 입구 슬롯으로 들어가는 흐름의 대부분은 HEX에서 나온 것이며, 이후 AMR 베드로 들어간다. AMR 베드를 떠나 출구 슬롯으로 가는 흐름의 대부분은 이후 HEX에 도달한다.
12개의 AMR 베드를 갖는 AMR형 자기 냉동기는 도 5에 도시된 AMR 베드 입구 및 출구 기하 구조를 갖는 도 4에 도시된 구성을 사용하여 구성되었다. CHEX와 HHEX 사이의 파이프의 흐름은 실질적으로 단방향이었지만, 입구 및 출구 흐름은 도 5에 도시된 상부 플레넘과 하부 플레넘(102, 106)에서 혼합될 수 있다. 분당 15 리터의 유체 흐름률에서, 냉동기는 24.2℃의 범위에서 499.8 와트(watt)의 냉각 능력을 생성하였다. 이어서, 도 10에 도시된 입구 및 출구 기하 구조를 생성하기 위해 플레넘(102 및 106)에 흐름 분할기를 삽입하였다. 흐름 삽입물(122 및 123)은 입구 및 출구 흐름을 분리하도록 설계되었다. 분당 15 리터의 동일한 유체 흐름률에서 그리고 24.4℃의 실질적으로 동일한 온도 범위에서 냉각 능력은 611.7 와트로 22%만큼 증가하였다.
도 10은 입구 및 출구 흐름이 분리된 2개 이상의 인터리빙된 서브-통로로 분할된 AMR 베드 근처의 입구 및 출구 파이프의 일 예를 도시한다. 입구 및 출구 흐름의 분리는 데드 볼륨 손실을 방지하고, 다수의 인터리빙된 서브-통로는 집중된 흐름 또는 단방향 흐름의 영역을 최소화함으로써 AMR 베드에서 보다 양호한 흐름 분포를 제공한다. 적절한 흐름 분리 및 적절한 흐름 분배를 달성하기 위해 입구 및 출구 기하 구조를 구성하는 여러 방법이 있다. 다른 예가 아래에서 보다 상세히 설명된다. 아래 도 12, 도 13, 도 14 및 도 15에는 AMR 베드의 일 단부(예를 들어, 고온 단부)의 구조만이 도시되어 있다. 유사한 구조가 AMR 베드의 다른 단부(예를 들어, 저온 단부)에도 배치되어야 한다.
도 12a, 도 12b 및 도 12c는 입구 및 출구 흐름이 분리된 AMR 베드 근처의 입구 및 출구 파이프의 제2 예를 도시한다. 도 12a는 투명한 측면도이고, 도 12b는 중실(solid) 측면도이고, 도 12c는 도 12a에 도시된 평면 A-A에서 취한 단면도이다. HEX로부터 AMR 베드로 흐름을 운반하는 메인 입구 파이프(131)는 서브-파이프(132) 형태의 여러 개의 더 작은 서브-통로로 분할되며, 각각의 서브-파이프는 AMR 베드(133)에 연결된다. AMR 베드로부터 HEX로 흐름을 운반하는 메인 출구 파이프(134)는 서브-파이프(135) 형태의 여러 개의 더 작은 서브-통로로 분할되며, 각각의 서브-파이프는 AMR 베드(133)에 연결된다. 선택적으로, 서브-파이프(132 및 135)는 AMR 베드(133)에 연결되기 전에 다수의 더 작은 서브-파이프로 더 분할될 수 있다. 입구 및 출구 서브-파이프(132 및 135)는 인터리빙되어 양방향 흐름이 거의 모든 AMR 베드(133)에 걸쳐 전개되도록 흐름을 분배한다. 파이프와 서브-파이프의 배열은 최상의 흐름 분포와 최저 압력 강하를 획득하는 프랙탈 기하 구조(fractal geometry)에 근접할 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 입구 및 출구 흐름이 분리된 AMR 베드 근처에 입구 및 출구 파이프의 제3 예를 도시한다. 도 13a는 평면도이고, 도 13b는 도 13a에 도시된 평면 A-A에서 취한 단면도이다. 입구 파이프(141)는 좌측에 있는 입구 채널(142)에 연결되고, 이 입구 채널은 입구 채널(142)과 입구 파이프(141)에 실질적으로 수직인 입구 핑거(143) 형태의 서브-통로에 연결된다. 출구 파이프(144)는 우측에 있는 출구 채널(145)에 연결되고 이 출구 채널은 출구 핑거(146) 형태의 서브-통로에 연결된다. 입구 및 출구 핑거(143 및 146)는 인터리빙되어 양방향 흐름이 거의 모든 AMR 베드(147)에 걸쳐 전개되도록 흐름을 분배한다.
자석 갭의 공간은 프리미엄으로 오기 때문에, 흐름 분리기를 포함하는 플레넘 영역과 AMR 베드 커버 판 모두에 요구되는 볼륨을 최소화하는 것이 유리하다. 도 13c에서, 핑거 형상의 흐름 통로는 다수의 섹터-형상의 AMR 베드(150)를 덮는 균일한 커버 판(148)으로 절단된다. 입구 파이프(141)는 입구 핑거(143) 형태의 서브-통로에 연결된 입구 채널(142)에 연결된다. 출구 파이프(144)는 출구 핑거(146) 형태의 서브-통로에 연결된 출구 채널(145)에 연결된다. 조립체는 커버 판(148) 내의 릴리프(relief) 서브-통로(143 및 146)에 의해 제공되는 흐름 분배를 갖는 구조적 및 흐름 기능을 모두 제공한다. 커버 판을 종료시키는 평면 평탄한 표면은 섹터-형상의 MCM 베드(150) 바로 아래에 위치하도록 의도되고, 둥근 통로는 흐름을 위한 효율적인 도관으로서의 역할을 한다. 유체 흐름의 결과 내부 압력이 흐름 통로에 형성되어, 흐름을 운반하는 파이프 및 서브-통로가 왜곡될 수 있다. 릴리프된 흐름 서브-통로(143 및 146)들 사이에 남아 있는 흐름 분할 장벽(149)은 리브 구조를 나타내는 방식으로 왜곡에 대해 커버 판(148)을 보강하는 추가적인 목적을 제공한다.
도 14a, 도 14b 및 도 14c는 입구 및 출구 흐름이 분리된 AMR 베드 근처의 입구 및 출구 파이프의 제4 예를 도시한다. 도 14a는 상부 레벨에서 취해진 평면도이고, 도 14b는 하부 레벨에서 취해진 평면도이고, 도 14c는 도 14b에 도시된 평면 A-A에서 취해진 단면도이다. 입구 파이프(151)는 AMR 베드(154) 위 측방향 메인 입구 채널(152)과 입구 핑거(153) 형태의 길이방향 서브-통로에 연결된다. 핑거(153)는 AMR 베드(154)의 상부 측에 연결된다. 출구 파이프(155)는 입구 채널(152) 위에 그리고 AMR 베드(154) 위에 측방향 메인 출구 채널(156)에 연결된다. 출구 채널(156)은 출구 핑거(157) 형태의 길이방향 통로에 연결되고, 이 출구 핑거는 입구 핑거(153)들 사이를 통과하고 AMR 베드(154)의 상부 측에 연결된다. 핑거(153)는 베드(154)로 흐름을 운반하고, 핑거(157)는 AMR 베드(154)로부터 흐름을 운반한다. 입구 및 출구 핑거(153 및 157)는 베드(154)에서 인터리빙되어 양방향 흐름이 거의 모든 AMR 베드(154)에 걸쳐 전개되도록 흐름을 분배한다.
도 15a, 도 15b 및 도 15c는 입구 및 출구 흐름이 분리된 AMR 베드 근처의 입구 및 출구 파이프의 제5 예를 도시한다. 출구 파이프(161)는 AMR 베드(163) 근처의 상부 출구 플레넘(162) 내로 확산되고, 입구 파이프(164)는 AMR 베드(163)와 입구 플레넘(162) 사이의 하부 입구 플레넘(165)으로 확산된다. 출구 플레넘(162)은, 출구 플레넘(162)의 하부 표면 위로 확산되고 입구 플레넘(165)을 통과하는 다수의 파이프(166) 형태의 서브-통로에 의해 베드(163)에 연결된다. 입구 플레넘(165)은 입구 플레넘(162)으로부터의 파이프(166)들 사이의 영역(167)의 서브-통로에 있는 AMR 베드(163)의 저온 단부에 연결된다. 입구 영역(166)과 출구 영역(167)은 인터리빙되어 양방향 흐름이 거의 모든 AMR 베드(163)에 걸쳐 전개되도록 흐름을 분배한다.
연장된 동작 동안 입구 및 출구 흐름이 분리된 AMR 베드의 표면 상에 오염 입자들의 축적이 발생할 수 있다. 이 문제에 대한 해결책이 발견되었는데, 이 해결책은, 베드의 입구에서 AMR 시스템의 압력을 관찰하고, 압력이 증가하면 짧은 시간 기간 동안 흐름 방향을 역전시켜, AMR 베드로부터 오는 흐름을 필터로 지향시키는 것이다. AMR 베드의 입구 표면에 부착된 입자는 역전된 흐름에 의해 분리될 수 있으며 필터에 의해 제거될 수 있다. 흐름 방향의 역전은 법선 방향의 압력 강하가 초기 값보다 20%만큼 증가했을 때 구현될 수 있으며, 100회의 AMR 흐름 사이클 동안 계속될 수 있다.
본문에서 "파이프"라는 용어를 사용하고 일부 도면에서 본 발명의 구성 요소들 간에 유체 흐름을 운반하는 파이프를 도시하고 있으나, 구성 요소들 사이에서 유체를 운반하는 임의의 적절한 도관이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도관은 사출 성형 조립체의 유체 통로일 수도 있고, 또는 도관은 추가적인 제조에 의해 만들어진 조립체의 유체 통로일 수 있고, 또는 도관은 기존의 파이프일 수도 있다.
하나 이상의 흐름도 및/또는 블록도가 예시적인 실시예를 설명하기 위해 사용되었다. 임의의 흐름도의 사용은 수행되는 동작 순서를 제한하려고 의도된 것이 아니다. 예시적인 실시예들의 상기 설명은 예시와 설명을 위한 목적으로 제공되었다. 상기 실시예는 모든 실시예를 전부 다 개시하는 것도 아니고 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하려고 의도된 것도 아니며, 상기 개시 사항에 변형과 변경이 가능할 수 있고 또는 개시된 실시예의 실행으로부터 변형과 변경이 얻어질 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구범위와 그 균등물에 의해 한정되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 능동 자기 재생(active magnetic regenerative: AMR) 냉동기 장치로서,
    제1 단부와 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 AMR 베드(bed);
    제1 단부와 제2 단부를 갖는 제1 열 교환기(heat exchanger: HEX);
    상기 제1 HEX의 상기 제1 단부를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결하는 제1 파이프; 및
    상기 제1 HEX의 상기 제2 단부를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결하는 제2 파이프를 포함하되,
    상기 제1 파이프는 상기 AMR 베드에서 2개 이상의 서브-통로로 분할되고,
    상기 제2 파이프는 상기 AMR 베드에서 2개 이상의 서브-통로로 분할되며,
    상기 제1 파이프와 상기 제2 파이프의 상기 서브-통로들은 상기 AMR 베드에서 인터리빙(interleaved)되며, 적어도 부분적으로, 열 전달 유체가 제 1 시간에서 상기 제1 파이프를 통하여 상기 적어도 하나의 AMR 베드의 상기 제1 단부에 진입하며, 제 2 시간에서 상기 제 2 파이프를 통하여 상기 적어도 하나의 AMR 베드의 상기 제1 단부로부터 배출되는 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 AMR 냉동기 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 파이프의 상기 서브-통로들은 상기 제1 파이프에 실질적으로 수직인 방향으로 상기 제1 파이프의 연장부인, AMR 냉동기 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 서브-통로는 슬롯에 의해 상기 AMR 베드에 유체적으로 연결되는, AMR 냉동기 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 능동 자기 재생(AMR) 냉동기로서,
    제1 단부와 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 AMR 베드;
    열 교환기(HEX);
    열 전달 유체;
    상기 HEX의 상기 제1 단부를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결하는 제1 파이프;
    상기 HEX의 상기 제2 단부를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 유체적으로 연결하는 제2 파이프; 및
    상기 제1 파이프, 상기 제2 파이프, 상기 HEX 및 상기 AMR 베드의 기공들을 통해 상기 열 전달 유체를 구동하도록 구성된 펌프를 포함하되,
    상기 제1 파이프는 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부의 제1 부분 위로 연장되는 제1 채널에 연결되고, 상기 제2 파이프는 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부의 제2 부분 위로 연장되는 제2 채널에 연결되며, 상기 제1 채널은 상기 제2 채널의 일부분 아래로 연장되는 상기 제1 채널의 하부 벽에 형성된 슬롯들을 통해 상기 AMR 베드에 유체적으로 연결되고, 상기 제2 채널은 상기 제1 채널의 일부분 아래로 연장되는 상기 제2 채널의 하부 벽에 형성된 슬롯들을 통해 상기 AMR 베드에 유체적으로 연결되며, 열 전달 유체가 제 1 시간에서 상기 제1 파이프를 통하여 상기 적어도 하나의 AMR 베드의 상기 제1 단부에 진입하며, 제 2 시간에서 상기 제 2 파이프를 통하여 상기 적어도 하나의 AMR 베드의 상기 제1 단부로부터 배출되는 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 AMR 냉동기.
  8. 능동 자기 재생(AMR) 냉동기로서,
    제1 단부와 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 AMR 베드;
    열 교환기(HEX);
    열 전달 유체;
    상기 HEX를 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 연결하는 제1 파이프로서, 상기 제1 파이프는 제1 동작 모드에서 제 1 단방향 흐름으로 상기 열 전달 유체를 지향시키도록 구성되고, 상기 제1 파이프는 제2 동작 모드에서 제2 단방향 흐름으로 상기 열 전달 유체를 지향시키도록 더 구성된, 상기 제1 파이프; 및
    상기 제1 단방향 흐름과 상기 제2 단방향 흐름으로 상기 열 전달 유체를 구동하도록 구성된 펌프 및, 열 전달 유체가 제 1 시간에서 상기 제1 파이프를 통하여 상기 적어도 하나의 AMR 베드의 상기 제1 단부에 진입하고 제 2 시간에서 상기 제 1 파이프를 통하여 상기 적어도 하나의 AMR 베드의 상기 제1 단부로부터 배출되는 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 AMR 냉동기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 단방향 흐름은 상기 제1 단방향 흐름과 반대 방향이고, 상기 제2 단방향 흐름은 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부로부터, 축적된 오염 입자를 배출하도록 구성된, AMR 냉동기.
  10. 능동 자기 재생(AMR) 냉동기 장치로서,
    저온 단부와 고온 단부를 갖는 제1 AMR 베드로서, 상기 제1 AMR 베드는 자기 열량 재료(magnetocaloric material)를 포함하는, 상기 제1 AMR 베드;
    제 1 상태와 제 2 상태의 시변 자기장(time-varying magnetic field)을 상기 제1 AMR 베드에 인가하도록 구성된 자석;
    입구 단부와 출구 단부를 갖는 저온 열 교환기(cold heat exchanger: CHEX);
    입구 단부와 출구 단부를 갖는 고온 열 교환기(hot heat exchanger: HHEX);
    열 전달 유체;
    상기 제1 AMR 베드에 인가되는 상기 시변 자기장이 제 1 상태에 있을 때 상기 열 전달 유체의 흐름을 상기 제1 AMR 베드의 상기 저온 단부로부터 상기 제1 AMR 베드를 통해 상기 제1 AMR 베드의 상기 고온 단부로 지향시키도록 구성된 밸브들로서, 상기 밸브들은, 상기 제1 AMR 베드에 인가되는 상기 시변 자기장이 제 2 상태에 있을 때 상기 열 전달 유체의 흐름을 상기 HHEX로부터 상기 제1 AMR 베드를 통해 상기 제1 AMR 베드의 상기 고온 단부로 지향시키고, 상기 CHEX를 통해 상기 제1 AMR 베드의 상기 저온 단부로 지향시키도록 더 구성된, 상기 밸브들;
    상기 CHEX의 상기 입구 단부를 상기 제1 AMR 베드의 상기 저온 단부에 유체적으로 연결하는 제1 파이프로서, 상기 제1 AMR 베드의 외부에서 2개 이상의 서브-통로로 분할되는, 상기 제1 파이프;
    상기 CHEX의 상기 출구 단부를 상기 제1 AMR 베드의 상기 저온 단부에 유체적으로 연결하는 제2 파이프로서, 상기 제1 AMR 베드의 외부에서 2개 이상의 서브-통로로 분할되는, 상기 제2 파이프;
    상기 HHEX의 상기 입구 단부를 상기 제1 AMR 베드의 상기 고온 단부에 유체적으로 연결하는 제3 파이프로서, 상기 제1 AMR 베드의 외부에서 2개 이상의 서브-통로로 분할되는, 상기 제3 파이프;
    상기 HHEX의 상기 출구 단부를 상기 제1 AMR 베드의 상기 고온 단부에 유체적으로 연결하는 제4 파이프로서, 상기 제1 AMR 베드의 외부에서 2개 이상의 서브-통로로 분할되는, 상기 제4 파이프; 및
    상기 제1 AMR 베드, 상기 CHEX, 상기 HHEX, 상기 밸브들, 상기 제1 파이프, 상기 제2 파이프, 상기 제3 파이프 및 상기 제4 파이프를 통해 상기 열 전달 유체를 구동하도록 구성된 펌프를 포함하며,
    상기 제1 파이프의 상기 서브-통로들과 상기 제2 파이프의 상기 서브-통로들은 상기 제1 AMR 베드에서 인터리빙되고, 상기 제3 파이프의 상기 서브-통로들과 상기 제4 파이프의 상기 서브-통로들은 상기 제1 AMR 베드에서 인터리빙되며, 열 전달 유체가 제 1 시간에서 상기 제 4 파이프를 통하여 상기 AMR 베드의 상기 고온 단부에 진입하며, 제 2 시간에서 상기 제 3 파이프를 통하여 상기 AMR 베드의 상기 고온 단부로부터 배출되는 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 AMR 냉동기 장치.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 파이프, 상기 제2 파이프, 상기 제3 파이프 및 상기 제4 파이프의 상기 서브-통로들에서 상기 열 전달 유체의 흐름은 실질적으로 단방향이고, 상기 제1 AMR 베드에서 상기 열 전달 유체의 흐름은 실질적으로 양방향인, AMR 냉동기 장치.
  13. 방법으로서,
    제 1 시간에서 제1 열 교환기(HEX)의 제1 단부로부터 능동 자기 재생(AMR) 베드의 제1 단부로 제1 파이프를 통해 열 전달 유체를 펌핑하는 단계; 및
    상기 제 1 시간과 상이한 제 2시간에서 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부로부터 제2 파이프를 통해 상기 제1 HEX의 제2 단부로 상기 열 전달 유체를 펌핑하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 파이프는 상기 AMR 베드의 상기 제 1 단부에서 2개 이상의 서브-통로로 분할되고, 상기 제2 파이프는 상기 AMR 베드의 상기 제 1 단부에서 2개 이상의 서브-통로로 분할되며,
    상기 제1 파이프와 상기 제2 파이프의 상기 서브-통로들은 상기 AMR 베드에서 인터리빙되는, 방법.
  14. 방법으로서,
    제1 동작 모드에서 능동 자기 재생(AMR) 베드에 시변 자기장을 인가하는 단계;
    제2 동작 모드에서 상기 AMR 베드에 상기 시변 자기장을 인가하는 단계;
    상기 시변 자기장이 상기 제1 동작 모드에 있을 때 제 1 단방향 흐름으로 열 교환기(HEX)를 상기 AMR 베드의 제1 단부에 연결하는 제1 파이프를 통해 열 전달 유체를 펌핑하는 단계; 및
    제2 동작 모드에서 제2 단방향 흐름으로 상기 제1 파이프를 통해 상기 열 전달 유체를 펌핑하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 단방향 흐름과 상기 제2 단방향 흐름은 서로 반대 방향이며, 상기 열 전달 유체가 제 1 시간에서 상기 제1 파이프를 통하여 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부에 진입하며, 제 2 시간에서 상기 제 1 파이프를 통하여 상기 AMR 베드의 상기 제1 단부로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 삭제
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  17. 삭제
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  20. 삭제
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Families Citing this family (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11233254B2 (en) * 2016-02-22 2022-01-25 Battelle Memorial Institute Process for delivering liquid H2 from an active magnetic regenerative refrigerator H2 liquefier to a liquid H2 vehicle dispenser
US10443928B2 (en) 2016-02-22 2019-10-15 Battelle Memorial Institute Active magnetic regenerative liquefier using process gas pre-cooling from bypass flow of heat transfer fluid
DE102016224922A1 (de) 2016-12-14 2018-06-14 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Klimatisierungseinrichtung für ein Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer solchen Klimatisierungseinrichtung
DE102016224925B4 (de) 2016-12-14 2024-01-04 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Klimatisierungseinrichtung für ein Fahrzeug
DE102016224923A1 (de) 2016-12-14 2018-06-14 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kühlvorrichtung, Verwendung einer solchen Kühlvorrichtung für eine mobile Anwendung und Verfahren zum Betreiben einer solchen Kühlvorrichtung
DE102017200559A1 (de) 2017-01-16 2018-07-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kraftfahrzeug mit wenigstens einem aus magnetokalorischem Material gebildeten Temperierungselement
EP3601915A4 (en) 2017-03-28 2020-12-23 John Barclay ACTIVE MAGNETIC REGENERATIVE PROCEDURES AND SYSTEMS USING HYDROGEN HEAT TRANSFER LIQUID
WO2018183398A1 (en) 2017-03-28 2018-10-04 Barclay, John Advanced multi-layer active magnetic regenerator systems and processes for magnetocaloric liquefaction
US11009282B2 (en) 2017-03-28 2021-05-18 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Refrigerator appliance with a caloric heat pump
EP3655718A4 (en) 2017-07-17 2021-03-17 Alexander Poltorak SYSTEM AND PROCESS FOR MULTI-FRACTAL HEAT SINK
JP6505781B2 (ja) * 2017-07-25 2019-04-24 株式会社フジクラ 磁気ヒートポンプ装置
US11125477B2 (en) * 2017-08-25 2021-09-21 Astronautics Corporation Of America Drum-type magnetic refrigeration apparatus with improved magnetic-field source
WO2019038719A1 (en) 2017-08-25 2019-02-28 Astronautics Corporation Of America MULTI-BED RING DRUM TYPE MAGNETIC REFRIGERATION APPARATUS
US11022348B2 (en) * 2017-12-12 2021-06-01 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Caloric heat pump for an appliance
JP2019138613A (ja) * 2018-02-15 2019-08-22 株式会社デンソー 磁気ヒートポンプ装置
US10648705B2 (en) 2018-04-18 2020-05-12 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly
US10830506B2 (en) 2018-04-18 2020-11-10 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Variable speed magneto-caloric thermal diode assembly
US10648704B2 (en) 2018-04-18 2020-05-12 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly
US10782051B2 (en) 2018-04-18 2020-09-22 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly
US10876770B2 (en) 2018-04-18 2020-12-29 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Method for operating an elasto-caloric heat pump with variable pre-strain
US11015842B2 (en) 2018-05-10 2021-05-25 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with radial polarity alignment
US11054176B2 (en) 2018-05-10 2021-07-06 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with a modular magnet system
US10989449B2 (en) 2018-05-10 2021-04-27 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with radial supports
US11092364B2 (en) 2018-07-17 2021-08-17 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with a heat transfer fluid circuit
US10684044B2 (en) 2018-07-17 2020-06-16 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with a rotating heat exchanger
EP3819560A4 (en) * 2018-09-11 2022-04-06 Daikin Industries, Ltd. DEVICE FOR MAGNETIC FREEZING
US11168926B2 (en) 2019-01-08 2021-11-09 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Leveraged mechano-caloric heat pump
US11149994B2 (en) 2019-01-08 2021-10-19 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Uneven flow valve for a caloric regenerator
US11193697B2 (en) 2019-01-08 2021-12-07 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Fan speed control method for caloric heat pump systems
US11274860B2 (en) 2019-01-08 2022-03-15 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Mechano-caloric stage with inner and outer sleeves
US11112146B2 (en) 2019-02-12 2021-09-07 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Heat pump and cascaded caloric regenerator assembly
US11015843B2 (en) 2019-05-29 2021-05-25 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Caloric heat pump hydraulic system
CN110657603B (zh) * 2019-10-30 2024-02-06 中国长江三峡集团有限公司 一种磁制冷换热器和制冷制热系统及方法
EP4160111A4 (en) 2020-05-28 2023-07-19 Mitsubishi Electric Corporation MAGNETIC HEAT PUMP AND REFRIGERATION CYCLE DEVICE
CN112629061B (zh) * 2020-12-31 2024-03-29 包头稀土研究院 磁场制冷热交换流体循环系统及其热循环方法
JP7039769B1 (ja) * 2021-04-01 2022-03-22 三菱電機株式会社 磁場印加装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130104568A1 (en) 2011-10-31 2013-05-02 Delta Electronics, Inc. Magnetic cooling device and magnetocaloric module thereof
US20140165595A1 (en) * 2012-12-17 2014-06-19 Astronautics Corporation Of America Use of unidirectional flow modes of magnetic cooling systems

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4332135A (en) 1981-01-27 1982-06-01 The United States Of America As Respresented By The United States Department Of Energy Active magnetic regenerator
US5934078A (en) 1998-02-03 1999-08-10 Astronautics Corporation Of America Reciprocating active magnetic regenerator refrigeration apparatus
ES2284683T3 (es) * 2000-08-09 2007-11-16 Astronautics Corporation Of America Aparato de refrigeracion magnetica de sustrato rotativo.
WO2008007834A1 (en) * 2006-07-10 2008-01-17 Daewoo Electronics Corporation Shuttle type magnetic refrigerator
US8209988B2 (en) * 2008-09-24 2012-07-03 Husssmann Corporation Magnetic refrigeration device
FR2959602B1 (fr) * 2010-04-28 2013-11-15 Cooltech Applications Procede de generation d'un flux thermique et generateur thermique magnetocalorique
JP6003879B2 (ja) * 2013-12-26 2016-10-05 株式会社デンソー 熱磁気サイクル装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130104568A1 (en) 2011-10-31 2013-05-02 Delta Electronics, Inc. Magnetic cooling device and magnetocaloric module thereof
US20140165595A1 (en) * 2012-12-17 2014-06-19 Astronautics Corporation Of America Use of unidirectional flow modes of magnetic cooling systems

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Publication number Publication date
US20160025385A1 (en) 2016-01-28
JP2017522532A (ja) 2017-08-10
EP3175186A1 (en) 2017-06-07
WO2016018451A1 (en) 2016-02-04
US9677792B2 (en) 2017-06-13
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JP6357276B2 (ja) 2018-07-11
CN106662373A (zh) 2017-05-10
KR20170038025A (ko) 2017-04-05

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