KR101893165B1 - 자기 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수 개의 자기 냉각 사이클을 구비하는 자기 냉각 시스템으로서, 각각의 자기 냉각 사이클은 열전달유체와 열교환하는 자기열량재료가 내장된 자기열교환기와, 상기 자기열량재료에 선택적으로 자기장을 인가하는 자기장 인가부와, 상기 자기열교환기에 열전달유체를 공급하는 펌프와, 자기열량재료와의 열교환을 통해 냉각된 열전달유체가 안내되는 저온열교환부, 자기열량재료로부터 열을 흡수하여 가열된 열전달유체가 안내되는 고온열교환부를 구비하고, 서로 이웃하는 2개의 자기 냉각 사이클 중 하나의 사이클에 구비되는 고온열교환부는 다른 하나의 사이클에 구비되는 저온열교환부와 열교환하도록 배치된 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템에 관한 것이다.

Description

자기 냉각 시스템{Magnetic cooling system}

본 발명은 복수 개의 자기 냉각 사이클을 구비하고, 서로 이웃하는 자기 냉각 사이클의 고온열교환부와 저온열교환부를 서로 열교환시켜서 자기 냉각 시스템 전체의 작동온도범위(최대온도차)를 확보할 수 있는 자기 냉각 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 자기 냉각 시스템은 자기열량재료에 자기장을 인가할 때 상기 자기열량재료(M)로부터 발생되는 열량, 및 상기 자기열량재료에 인가된 자기장을 소거할 때 상기 자기열량재료(M)에 의해 흡수되는 열량을 이용하는 시스템을 나타낸다.

즉, 자기냉동이란, 특정 자기열량재료(또는 자성체)에 자계를 주면 자기열량재료(M)가 발열하고, 자계를 제거하면 그 온도가 내려가는 현상(즉, 자기열량효과, MCE, Magnetocaloric Effect)을 이용한 것이다. 이러한 자기냉동은 프레온이나 플론을 사용하지 않기 때문에 환경에 유익한 냉동기술로서 주목받고 있다.

자기열량재료는 상기 자기열량재료(M)를 통과하는 열전달유체와 열교환하도록 형성될 수 있다.

자기열량재료에 자기장이 인가될 때 상기 자기열량재료(M)는 발열반응을 하며, 상기 자기열량재료를 통과하는 열전달유체는 가열될 수 있다.

이와 달리, 상기 자기열량재료에 인가된 자기장을 소거할 때 상기 자기열량재료(M)는 흡열반응을 하며, 자기열량재료를 통과하는 열전달유체는 냉각될 수 있다.

도 1은 종래의 자기 냉각 시스템(한국공개특허공보 제10-2013-0108765호)을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 마그네트(2)가 자기재생기(1)로 이동하여 자기재생기(1)에 자기장을 인가하면 열전달유체는 유체이송장치(5)에 의해 반시계 방향으로 순환한다. 자기재생기(1)로 유입된 열전달유체는 자기장이 인가된 자기재생기(1)에서 발생된 열을 흡수한 뒤, 고온측열교환기(3)에 도달하여 자기재생기(1)로부터 흡수한 열을 주위로 방출한다. 고온측열교환기(3)에서 주위로 열을 방출한 열전달유체는 저온측열교환기(4)를 거쳐 자기재생기(1)로 유입된다.

이와 달리, 마그네트(2)가 자기재생기(1)로부터 이탈하여 자기재생기(1)의 자기장이 제거되면 열전달유체는 유체이송장치(5)에 의해 시계 방향으로 순환한다. 자기재생기(1)로 유입된 열전달유체는 자기장이 제거된 자기재생기(1)로 열을 전달하고 냉각된 상태로 저온측열교환기(4)에 도달하여 주위의 열을흡수한다. 저온측열교환기(4)에서 주위의 열을 흡수한 열전달유체는 고온측열교환기(3)를 거쳐 자기재생기(1)로 유입되며, 이와 같은 과정으로 1회의 열교환싸이클이 완성된다. 이와 같은 열교환사이클이 지속적으로 반복되는 과정을 통해 난방 또는 냉방에 필요한 고온 또는 저온을 얻게 된다.

한편, 종래의 자기 냉각 시스템에 따르면, 고온측열교환기(3)와 저온측열교환기(4) 사이의 온도차를 확보하는데 한계가 있는 문제점이 있다. 즉, 종래의 자기 냉각 시스템은 작동온도범위의 확보에 한계가 있는 문제점이 있다.

종래의 자기 냉각 시스템에서, 하나의 자기재생기(1)를 통해 작동온도범위를 확보하기 위해서 자기재생기(1)의 길이를 길게 연장하고 다양한 자기열량재료(M)를 자기재생기(1)의 길이방향을 따라 배열하는 방법을 고려해볼 수 있다.

그러나, 자기재생기(1)의 길이를 연장하고 자기재생기(1)에 수용되는 자기열량재료(M)의 종류 및 양이 늘어나게 되면, 유로저항이 급격하게 증가되어 열전달유체가 자기재싱기(1)를 원활하게 통과할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상대적으로 큰 작동온도범위를 용이하게 확보할 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 현존하는 자기열량재료를 이용하여 작동온도범위를 최대한 확보할 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위한 것으로서, 복수 개의 자기 냉각 사이클을 구비하는 자기 냉각 시스템으로서, 각각의 자기 냉각 사이클은 열전달유체와 열교환하는 자기열량재료가 내장된 자기열교환기와, 상기 자기열량재료에 선택적으로 자기장을 인가하는 자기장 인가부와, 상기 자기열교환기에 열전달유체를 공급하는 펌프와, 자기열량재료와의 열교환을 통해 냉각된 열전달유체가 안내되는 저온열교환부, 자기열량재료로부터 열을 흡수하여 가열된 열전달유체가 안내되는 고온열교환부를 구비할 수 있다.

이때, 서로 이웃하는 2개의 자기 냉각 사이클 중 하나의 사이클에 구비되는 고온열교환부는 다른 하나의 사이클에 구비되는 저온열교환부와 열교환하도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 복수 개의 자기 냉각 사이클 각각의 작동온도범위는 서로 상이할 수 있다.

상기 작동온도범위는 상기 자기열교환기 내에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도에 기초하여 결정될 수 있다.

각각의 자기 냉각 사이클에 구비되는 자기열교환기는 저온단과 고온단을 각각 구비할 수 있다. 이때, 서로 이웃하는 2개의 자기 냉각 사이클 중 하나의 사이클에 구비되는 자기열교환기의 고온단의 온도와 다른 하나의 사이클에 구비되는 자기열교환기의 저온단의 온도는 서로 동일할 수 있다.

상기 복수 개의 자기 냉각 사이클은 n개(n은 2이상의 자연수)의 자기 냉각 사이클을 포함할 수 있다. 이때, 제n-1 자기 냉각 사이클에 구비되는 제n-1 자기열교환기의 고온단의 온도는 제n 자기 냉각 사이클에 구비되는 제n 자기열교환기의 저온단의 온도와 동일할 수 있다.

또한, 제n-1 자기 냉각 사이클에 구비되는 고온열교환부와 제n 자기 냉각 사이클에 구비되는 저온열교환부가 서로 열교환할 수 있다.

각각의 자기 냉각 사이클에 구비되는 자기열교환기 내에는 서로 다른 큐리온도를 구비하는 복수 개의 자기열량재료가 상기 자기열교환기의 길이방향을 따라서 배열될 수 있다.

서로 이웃하는 2개의 자기 냉각 사이클 중 하나의 사이클에 구비되는 자기열교환기의 고온단에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도와 다른 하나의 사이클에 구비되는 자기열교환기의 저온단에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도는 서로 동일할 수 있다.

구체적으로, 제n-1 자기 냉각 사이클에 구비된 자기열교환기의 고온단에 배치되는 자기열량재료의 큐리온도와 제n 자기 냉각 사이클에 구비된 자기열교환기의 저온단에 배치되는 자기열량재료의 큐리온도는 서로 동일할 수 있다.

상기 펌프는 제1펌프 및 제2펌프를 포함할 수 있다 그리고, 각각의 자기 냉각 사이클은, 제1펌프에 의해 가압되는 열전달유체를 자기열교환기의 고온단으로 안내하는 제1유로; 자기열교환기를 고온단으로부터 저온단으로 통과한 열전달유체를 제2펌프로 안내하는 제2유로; 제2펌프에 의해 가압되는 열전달유체를 자기열교환기의 저온단으로 안내하는 제3유로; 및 자기열교환기를 저온단으로부터 고온단으로 통과한 열전달유체를 제1펌프로 안내하는 제4유로를 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1유로 및 상기 제4유로는 제1연결유로를 통해 제1펌프에 연결되고, 상기 제2유로 및 상기 제3유로는 제2연결유로를 통해 제2펌프에 연결될 수 있다.

또한, 상기 제1유로 및 상기 제4유로는 제3연결유로를 통해 자기열교환기의 고온단에 연결되고, 상기 제2유로 및 상기 제3유로는 제4연결유로를 통해 자기열교환기의 저온단에 연결될 수 있다.

상기 제1유로에는 열전달유체가 상기 자기열교환기를 향하는 방향으로만 흐르도록 하는 제1체크밸브가 구비되고, 상기 제4유로에는 열전달유체가 상기 제1펌프를 향하는 방향으로만 흐르도록 하는 제4체크밸브가 구비될 수 있다.

상기 제2유로에는 열전달유체가 상기 제2펌프를 향하는 방향으로만 흐르도록 하는 제2체크밸브가 구비되고, 상기 제3유로에는 열전달유체가 상기 자기열교환기를 향하는 방향으로만 흐르도록 하는 제3체크밸브가 구비될 수 있다.

한편, 제n-1 자기 냉각 사이클의 고온열교환부는 제n-1 자기 냉각 사이클의 제1유로에 구비되고, 제n 자기 냉각 사이클의 저온 열교환부는 제n 자기 냉각 사이클의 제2유로에 구비될 수 있다.

제n-1 자기 냉각 사이클의 저온열교환부는 제n-1 자기 냉각 사이클의 제3유로에 구비되고, 제n 자기 냉각 사이클의 고온 열교환부는 제n 자기 냉각 사이클의 제4유로에 구비될 수 있다.

제n-1 자기 냉각 사이클의 고온열교환부와 제n 자기 냉각 사이클의 저온열교환부는 하나의 열교환 챔버 내에 배치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상대적으로 큰 작동온도범위를 용이하게 확보할 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 현존하는 자기열량재료를 이용하여 작동온도범위를 최대한 확보할 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 자기 냉각 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기 냉각 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 자기장 인가부의 작동 원리를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 자기 냉각 시스템의 구동에 따른 T-S선도(온도-엔트로피 선도)를 나타낸다.

이하, 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기 냉각 시스템을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기 냉각 시스템(10)은 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 자기 냉각 사이클은 n개의 자기 냉각 사이클이 될 수 있다. 이때, n은 2이상의 자연수가 될 수 있다.

복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n) 각각은 열전달유체가 순환하도록 형성되며, 열전달유체가 통과하는 자기열교환기(100)를 구비할 수 있다. 상기 열전달유체는 물이 될 수 있다. 물론, 물 이외의 유체도 열전달유체로 사용될 수 있음은 자명하다.

상기 자기열교환기(100) 내에는 자기열량재료(M)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 자기열교환기(100) 내에는 상기 자기열교환기(100)의 길이방향을 따라서 서로 다른 큐리온도를 가지는 자기열량재료(M)가 순차적으로 배치될 수 있다. 즉, 각각의 자기열교환기(100) 내에는 상기 자기열교환기(100)의 길이방향을 따라서 서로 다른 큐리온도를 가지는 자기열량재료(M)가 순차적으로 배열될 수 있다.

예를 들어, 열전달유체의 유동방향을 기준으로 상기 자기열교환기(100)의 길이방향 일 단부에는 상대적으로 높은 큐리온도를 가지는 자기열량재료(M)가 배치되고 타 단부에는 상대적으로 낮은 큐리온도를 가지는 자기열량재료(M)가 배치될 수 있다. 즉, 상기 자기열교환기(100)의 길이방향 일 단부에서 타단부로 갈수록 자기열량재료(M)의 큐리온도가 점진적으로 낮아지도록 자기열량재료(M)가 자기열교환기(100) 내에 배치될 수 있다.

상기 자기열교환기(100)의 일 단부를 고온단(101)이라고 할 수 있으며, 타 단부를 저온단(102)이라고 할 수 있다. 상기 자기열교환기(100) 내에 구비되는 복수 개의 자기열량재료(M)의 큐리온도는 상기 고온단(101)에서 상기 저온단(102)으로 갈수록 점점 낮아질 수 있다.

열전달유체는 자기열교환기(100)를 통과하는 과정에서 자기열교환기(100) 내에 수용된 자기열량재료(M)와 열교환 할 수 있다.

구체적으로, 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n) 각각은 상기 자기열량재료(M)에 선택적으로 자기장을 인가하는 자기장 인가부(200) 및 상기 자기열교환기(100)를 향해 열전달유체를 공급하는 펌프(P1, P2)를 더 구비할 수 있다.

상기 자기장 인가부(200)는 상기 자기열교환기(100)의 일측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 자기장 인가부(200)는 상기 자기열교환기(100)의 둘레에 배치될 수 있다.

상기 자기장 인가부(200)는 상기 자기열교환기(200)에 선택적으로 자기장을 인가하도록 형성될 수 있다. 자기열교환기(200)에 자기장을 인가 및 소거한다는 것은 자기열교환기(200) 내에 수용된 자기열량재료(M)에 자기장을 인가 및 소거하는 것과 동일한 의미일 수 있다.

상기 자기장 인가부(200)에 의해 상기 자기열교환기(200)에 자기장이 인가된 상태를 "착자"라고 하고, 상기 자기열교환기(200)에 인가되어 있던 자기장이 소거된 상태를 "탈자"라고 할 수 있다. 즉, 자기장의 인가는 착자를 의미하고 자기장의 소거는 탈자를 의미할 수 있다.

상기 자기열교환기(100)가 상기 자기장 인가부(200)에 의해 착자되면, 상기 자기열교환기(100) 내에 수용된 자기열량재료(M)는 발열반응을 할 수 있다. 반대로, 상기 자기열교환기(100)가 상기 자기장 인가부(200)에 의해 탈자되면, 상기 자기열교환기(100) 내에 수용된 자기열량재료(M)는 흡열반응을 할 수 있다.

이러한 자기열교환기(100)의 구체적인 구성에 대해서는 이하 다른 도면을 참조하여 설명한다.

상기 펌프(P1, P2)는 제1펌프(P1) 및 제2펌프(P2)를 포함할 수 있다. 상기 제1펌프(P1) 및 상기 제2펌프(P2)는 피스톤-실린더 타입으로 형성될 수 있다.

상기 제1펌프(P1)는 상기 자기열교환기(100)가 탈자된 상태에서 상기 자기열교환기(100)를 향해 열전달유체를 공급하도록 형성될 수 있다. 상기 제2펌프(P2)는 상기 자기열교환기(100)가 착자된 상태에서 상기 자기열교환기(100)를 향해 열전달유체를 공급하도록 형성될 수 있다.

구체적으로, 상기 자기열교환기(100)가 탈자될 때, 상기 제1펌프(P1)에 의해 가압된 열전달유체는 상기 자기열교환기(100)를 통과한 후에 상기 제2펌프(P2) 내로 안내될 수 있다. 이와 달리, 상기 자기열교환기(100)가 착자될 때, 상기 제2펌프(P2)에 의해 가압된 열전달유체는 상기 자기열교환기(100)를 통과한 후에 상기 제1펌프(P1) 내로 안내될 수 있다.

즉, 상기 제1펌프(P1)의 작동에 의한 열전달유체의 유동방향과 상기 제2펌프(P2)의 작동에 의한 열전달유체의 유동방향은 서로 반대일 수 있다.

복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n) 각각은 상기 자기열교환기(100)를 통해 가열된 열전달유체가 안내되는 고온열교환부(300) 및 상기 자기열교환기(100)를 통해 냉각된 열전달유체가 안내되는 저온열교환부(200)를 더 구비할 수 있다.

상기 자기열교환기(100) 내의 자기열량재료(M)와 열교환하여 가열된 열전달유체는 상기 고온열교환부(300)로 안내될 수 있다. 그리고, 상기 자기열교환기(100) 내의 자기열량재료(M)와 열교환하여 냉각된 열전달유체는 상기 저온열교환부(400)로 안내될 수 있다.

상기 고온열교환부(300)를 통해 열전달유체의 온열이 활용될 수 있고, 상기 저온열교환부(400)를 통해 상기 열전달유체의 냉열이 활용될 수 있다.

한편, 자기 냉각 시스템(10)의 작동온도범위는 자기열교환기(100) 내에 수용되는 자기열량재료(M)에 의해 영향을 받을 수 있다. 자기 냉각 시스템(10)을 산업현장 또는 냉동기와 같은 제품에 적용하기 위해서는 자기 냉각 시스템(10) 작동온도범위를 최대한 확보하는 것이 중요하다.

여기서, 자기 냉각 시스템(10)의 작동온도범위는 고온열교환부(300)와 저온열교환부(400) 사이의 온도차가 될 수 있다. 즉, 자기 냉각 시스템(10)의 작동온도범위는 고온열교환부(300)를 통과하는 열전달유체의 온도와 저온열교환부(400)를 통과하는 열전달유체의 온도 사이의 차이를 의미할 수 있다.

자기 냉각 시스템(10)의 작동온도범위를 확보하기 위하여 자기열교환기(100)의 길이를 늘리고 자기열교환기(100)의 길이방향을 따라서 다양한 큐리온도를 가지는 자기열량재료(M)를 다량으로 수용하는 방법을 고려해볼 수 있다.

그러나, 이 경우, 자기열교환기(100)를 통과하는 열전달유체의 유로저항이 증가하게 되어, 자기 냉각 시스템(10)이 원활하게 작동하지 않을 수 있으며, 작동온도범위를 확보하기 어려울 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자기 냉각 시스템(10)은 서로 이웃하는 2개의 자기 냉각 사이클 사이에 열교환이 이루어질 수 있는 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n)을 포함할 수 있다.

복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n)은 모두 동일한 구성을 구비할 수 있다. 즉, 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n)은 펌프(P1, P2), 자기열교환기(100), 자기장인가부(200), 고온열교환부(300) 및 저온열교환부(400)를 각각 구비할 수 있다. 다만, 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n) 각각의 자기열교환기(100)에 구비되는 자기열량재료(M)의 큐리온도는 상이할 수 있다.

예를 들어, 제1 자기 냉각 사이클(10.1)의 자기열교환기(100)에는 -10℃ 내지 0℃의 큐리온도를 가지는 자기열량재료(M)가 수용될 수 있고, 제2 자기냉각 사이클(10.2)의 자기열교환기(100)에는 0℃ 내지 10℃의 큐리온도를 가지는 자기열량재료(M)가 수용될 수 있다.

그리고, 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)의 자기열교환기(100)에는 50℃ 내지 60℃의 큐리온도를 가지는 자기열량재료(M)가 수용될 수 있고, 제n 자기 냉각 사이클(10.n)의 자기열교환기(100)에는 60℃ 내지 70℃의 큐리온도를 가지는 자기열량재료(M)가 수용될 수 있다.

또한, 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n)은 서로 독립적으로 작동될 수 있다. 즉, 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n)에 구비되는 자기장 인가부(200) 및 펌프(P1, P2)는 서로 독립적으로 작동될 수 있다.

예를 들어, 제1 자기 냉각 사이클(10.1)에 구비된 제1펌프(P1)가 작동될 때 제2 자기 냉각 사이클(10.2)에서는 제1펌프(P1)가 아닌 제2펌프(P2)가 작동될 수 있다. 또한, 제1 자기 냉각 사이클(10.1)의 자기열교환기(100)가 자기장 인가부(200)의 작동에 의해 탈자될 때, 제2 자기 냉각 사이클(10.2)의 자기열교환기(100)는 자기장 인가부(200)의 작동에 의해 착자될 수 있다.

자기 냉각 시스템(10)의 작동온도범위를 확보하기 위하여, 서로 이웃하는 2개의 자기 냉각 사이클 중 하나의 사이클에 구비되는 고온열교환부(300)는 다른 하나의 사이클에 구비되는 저온열교환부(400)와 열교환할 수 있다.

예를 들어, 도 2에서, 제1 자기 냉각 사이클(10.1)과 제2 자기 냉각 사이클(10.2)은 서로 이웃할 수 있다. 이때, 제1 자기 냉각 사이클(10.1)에 구비되는 고온열교환부(300)와 제2 자기 냉각 사이클(10.2)에 구비되는 저온열교환부(400)는 서로 열교환하도록 배치될 수 있다.

마찬가지로, 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)에 구비되는 고온열교환부(300)는 제n 자기 냉각 사이클(10.n)에 구비되는 저온열교환부(400)와 서로 열교환하도록 배치될 수 있다.

따라서, 제1 자기 냉각 시스템(10.1)에 구비되는 저온열교환부(400)의 온도와 제n 자기 냉각 시스템(10.n)에 구비되는 고온열교환부(300)의 온도 사이의 차이가 커질 수 있다.

전술한 바와 같이, 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n) 각각의 작동온도범위는 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 자기 냉각 사이클(10.1)에서 제n 자기 냉각 사이클(10.n)로 갈수록 작동온도범위는 점진적으로 증가될 수 있다.

상기 작동온도범위는 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n) 각각에 구비되는 자기열교환기(100) 내에 수용된 자기열량재료(M)의 큐리온도에 기초하여 결정될 수 있다.

즉, 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n)의 자기열교환기(100)에는 서로 다른 큐리온도를 가지는 복수 개의 자기열량재료(M)가 수용될 수 있다. 그리고, 각각의 자기열교환기(100) 내에는 복수 개의 서로 다른 큐리온도를 가지는 자기열량재료(M)가 수용될 수 있다.

각각의 자기열교환기(100)는 고온단(101)과 저온단(102)을 구비할 수 있다. 즉, 각각의 자기열교환기(100)의 길이방향 일 단이 고온단(101)이 되고, 길이방향 타 단이 저온단(102)이 될 수 있다.

각각의 자기열교환기(100)에서 상기 고온단(101)에 대응하는 부분에 수용된 자기열량재료(M)의 큐리온도는 상기 저온단(102)에 대응하는 부분에 수용된 자기열량재료(M)의 큐리온도에 비해 높을 수 있다.

서로 이웃하는 2개의 자기 냉각 사이클 중 하나의 사이클에 구비되는 자기열교환기의 고온단의 온도와 다른 하나의 사이클에 구비되는 자기열교환기의 저온단의 온도는 서로 동일할 수 있다.

예를 들어, 도 2에서, 제1 자기 냉각 사이클(10.1)에 구비되는 자기열교환기(100)의 고온단(101)의 온도는 0℃가 될 수 있고, 제2 자기 냉각 사이클(10.2)에 구비되는 자기열교환기(100)의 저온단(102)의 온도 역시 0℃가 될 수 있다.

즉, 서로 이웃하는 2개의 자기 냉각 시이클 중 하나의 사이클에 구비되는 자기열교환기(100)의 고온단(101)에 구비되는 자기열량재료(M)의 큐리온도와 다른 하나의 사이클에 구비되는 자기열교환기(100)의 저온단(102)에 구비되는 자기열량재료(M)의 큐리온도는 서로 동일할 수 있다.

마찬가지로, 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)에 구비되는 자기열교환기(100)의 고온단(101)의 온도와 제n 자기 냉각 사이클(10.n)에 구비되는 자기열교환기(100)의 저온단(102)의 온도는 모두 60℃로 서로 동일할 수 있다.

즉, 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)에 구비된 자기열교환기(100)의 고온단(101)에 배치되는 자기열량재료(M)의 큐리온도와 제n 자기 냉각 사이클(10.n)에 구비된 자기열교환기(100)의 저온단(102)에 배치되는 자기열량재료(M)의 큐리온도는 서로 동일할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 서로 이웃하는 자기 냉각 사이클 사이의 열교환을 통해 자기 냉각 시스템(10)을 통해 구현할 수 있는 열전달유체의 고온과 저온 사이의 차이를 최대한 확보할 수 있다.

복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n) 각각은 제1펌프(P1)에 의해 가압된 열전달유체를 자기열교환기(100)의 고온단(101)을 향해 안내하는 제1유로(L1), 자기열교환기(100)를 고온단(101)으로부터 저온단(102)으로 통과한 열전달유체를 제2펌프(P2)로 안내하는 제2유로(L2), 제2펌프(P2)에 의해 가압된 열전달유체를 자기열교환기(100)의 저온단(102)으로 안내하는 제3유로(L3), 및 자기열교환기(100)를 저온단(102)으로부터 고온단(101)으로 동과한 열전달유체를 제1펌프(P1)로 안내하는 제4유로(L4)를 더 구비할 수 있다.

제1펌프(P1)와 제2펌프(P2)는 번갈아서 작동될 수 있다. 즉, 제1펌프(P1)가 열전달유체를 가압할 때, 제2펌프(P2)는 열전달유체를 수용할 수 있다. 반대로, 제2펌프(P2)가 열전달유체를 가압할 때, 제1펌프(P1)는 열전달유체를 수용할 수 있다.

상기 제1유로(L1) 및 제4유로(L4)는 자기열교환기(100)와 제1펌프(P1) 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 제2유로(L2)와 제3유로(L3)는 자기열교환기(100)와 제2펌프(P2) 사이에 배치될 수 있다.

상기 제1유로(L1) 및 상기 제4유로(L4)는 제1연결유로(C1)를 통해 제1펌프(P1)에 연결될 수 있다. 즉, 열전달유체가 제1펌프(P1)로 출입하는 제1펌프(P1)의 출입단부에 하나의 제1연결유로(C1)가 연결될 수 있다. 그리고, 제1유로(L1) 및 제4유로(L4)는 상기 제1연결유로(C1)로부터 분지될 수 있다.

상기 제2유로(L2) 및 상기 제3유로(L3)는 제2연결유로(C2)를 통해 제2펌프(P2)에 연결될 수 있다. 즉, 열전달유체가 제2펌프(P2)로 출입하는 제1펌프(P2)의 출입단부에 하나의 제2연결유로(C2)가 연결될 수 있다. 그리고, 제2유로(L2) 및 제3유로(L3)는 상기 제2연결유로(C2)로부터 분지될 수 있다.

따라서, 제1펌프(P1) 및 제2펌프(P2)에는 열전달유체의 출입구가 하나만 구비되면 된다. 그리고, 각각의 펌프(P1, P2)에서 하나의 출입구만 실링하면 되므로, 출입구가 여러개인 경우에 비해 제1펌프(P1) 및 제2펌프(P2)에서 열전달유체의 누수 확률이 감소될 수 있다.

또한, 상기 제1유로(L1) 및 상기 제4유로(L4)는 제3연결유로(C3)를 통해 자기열교환기(100)의 고온단(101)에 연결될 수 있다. 그리고, 상기 제2유로(L2) 및 상기 제3유로(L3)는 제4연결유로(C4)를 통해 자기열교환기(100)의 저온단(102)에 연결될 수 있다.

즉, 자기열교환기(100)의 고온단(101)에는 하나의 제3연결유로(C3)만 연결되고, 상기 제3연결유로(C3)로부터 상기 제1유로(L1) 및 상기 제4유로(L4)가 분지될 수 있다. 또한, 자기열교환기(100)의 저온단(101)에는 하나의 제4연결유로(C4)만 연결되고, 상기 제4연결유로(C4)로부터 상기 제2유로(L2) 및 상기 제3유로(L3)가 분지될 수 있다.

자기열교환기(100)를 통과하는 열전달유체의 누수를 방지하기 위하여, 자기열교환기(100)의 고온단(101)과 제3연결유로(L3) 사이 및 자기열교환기(100)의 저온단(102)과 제4연결유로(102) 사이만 실링되면 족하다.

따라서, 자기열교환기(100)의 고온단(101) 및 저온단(102)에 여러 개의 유로가 연결되는 경우에 비해, 자기열교환기(100)로 출입하는 열전달유체의 누수 확률이 감소될 수 있다.

한편, 자기열교환기(100)는 제1펌프(P1)와 제2펌프(P2) 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 상기 제1펌프(P1) 및 제2펌프(P2)는 모두 상기 자기열교환기(100)를 향해 열전달유체를 가압하도록 형성될 수 있다. 상기 제1펌프(P1) 및 상기 제2펌프(P2)가 번갈아 구동될 때, 열전달유체가 자기 냉각 사이클(10.1~10.n) 각각을 일방향으로만 순환되도록 하는 것이 바람직하다.

이를 위하여, 상기 제1유로(L1)에는 열전달유체가 상기 자기열교환기(100)를 향하는 방향으로만 흐르도록 하는 제1체크밸브(V1)가 구비될 수 있다. 그리고, 상기 제4유로(L4)에는 열전달유체가 상기 제1펌프(P1)를 향하는 방향으로만 흐르도록 하는 제4체크밸브(V4)가 구비될 수 있다.

따라서, 제1펌프(P1)가 구동될 때, 열전달유체는 제1연결유로(C1), 제1유로(L1), 제4연결유로(C4), 자기열교환기(100), 제3연결유로(C3), 제2유로(L2) 및 제2연결유로(C2)를 순차적으로 경유하여 제2펌프(P2)로 안내될 수 있다. 제1펌프(P1)가 구동될 때, 자기열교환기(100)는 자기장 인가부(200)에 의해 탈자될 수 있다. 이 경우, 자기열교환기(100)를 고온단(101)으로부터 저온단(102)으로 통과하는 열전달유체는 자기열교환기(100) 내에 수용된 자기열량재료(M)와의 열교환을 통해 냉각될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 자기 냉각 사이클(10.1) 및 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)에 각각 구비되는 제1펌프(P1)가 열전달유체를 가압할 때, 자기열교환기(100)는 자기장 인가부(200)에 의해 탈자될 수 있다.

또한, 상기 제2유로(L2)에는 열전달유체가 상기 제2펌프(P2)를 향하는 방향으로만 흐르도록 하는 제2체크밸브(V2)가 구비될 수 있다. 그리고, 상기 제3유로(L3)에는 열전달유체가 상기 자기열교환기(100)를 향하는 방향으로만 흐르도록 하는 제3체크밸브(V3)가 구비될 수 있다.

따라서, 제2펌프(P2)가 구동될 때, 열전달유체는 제2연결유로(C2), 제3유로(L3), 제4연결유로(C4), 자기열교환기(100), 제3연결유로(C3), 제4유로(L4) 및 제1연결유로(C1)를 순차적으로 경유하여 제2펌프(P1)로 안내될 수 있다. 제2펌프(P2)가 구동될 때, 자기열교환기(100)는 자기장 인가부(200)에 의해 착자될 수 있다. 이 경우, 자기열교환기(100)를 저온단(102)으로부터 고온단(101)으로 통과하는 열전달유체는 자기열교환기(100) 내에 수용된 자기열량재료(M)와의 열교환을 통해 가열될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제2 자기 냉각 사이클(10.2) 및 제n 자기 냉각 사이클(10.n)에 각각 구비되는 제2펌프(P2)가 열전달유체를 가압할 때, 자기열교환기(100)는 자기장 인가부(200)에 의해 착자될 수 있다.

상기와 같이, 제1 내지 제4 체크밸브(V1~V4)에 의해, 열전달유체가 각각의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n)을 일 방향으로(도시된 실시예에서 반시계 방향으로) 순환할 수 있으며, 열전달유체의 역류를 방지할 수 있다.

한편, 서로 이웃하는 자기 냉각 사이클 중 하나의 사이클에 구비된 고온열교환부와 다른 하나의 사이클에 구비된 저온열교환부 사이의 열교환을 위한 각 사이클에서의 고온열교환부와 저온열교환부의 배치는 아래와 같이 고려될 수 있다.

제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)의 고온열교환부(300)는 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)의 제1유로(L1)에 구비될 수 있다. 그리고, 제n 자기 냉각 사이클(10.n)의 저온열교환부(400)는 제n 자기 냉각 사이클(10.n)의 제2유로(L2)에 구비될 수 있다.

그리고, 상기 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)의 제1유로(L1)와 상기 제n 자기 냉각 사이클(10.n)의 제2유로(L2)는 서로 나란히 배치될 수 있다. 즉, 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)의 고온열교환부(300)와 제n 자기 냉각 사이클(10.n)의 저온열교환부(400)는 서로 나란히 배치될 수 있다.

또한, 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)의 저온열교환부(400)는 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)의 제3유로(L3)에 구비되고, 제n 자기 냉각 사이클(10.n)의 고온 열교환부(300)는 제n 자기 냉각 사이클(10.n)의 제4유로(L4)에 구비될 수 있다.

그리고, 상기 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)의 제3유로(L3)와 상기 제n 자기 냉각 사이클(10.n)의 제4유로(L4)는 서로 나란히 배치될 수 있다. 즉, 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)의 고온열교환부(300)와 제n 자기 냉각 사이클(10.n)의 저온열교환부(400)는 서로 나란히 배치될 수 있다.

열교환 효율을 높이기 위하여, 상기 제n-1 자기 냉각 사이클(10.n-1)의 고온열교환부(300)와 상기 제n 자기 냉각 사이클(10.n)의 저온열교환부(400)는 하나의 열교환챔버(500) 내에 배치될 수 있다.

상기와 같이 고온열교환부(300)와 저온열교환부(400)를 배치함에 따라서, 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n)을 순차적으로 병렬로 배치할 수 있다. 그리고, 이러한 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n)의 배치로 인해, 자기 냉각 시스템(10) 전체의 설치 공간이 최소화될 수 있고, 각각의 자기 냉각 사이클 단위로 유지 보수가 가능해진다.

한편, 상기 제1 자기 냉각 사이클(10.1)에 구비되는 저온열교환부(400)는 다른 자기 냉각 사이클의 고온열교환부와 열교환하지 않는다. 즉, 상기 제1 자기 냉각 사이클(10.1)에 구비되는 저온열교환부(400)에서 열전달유체의 냉열은 냉열의 사용처에 공급될 수 있다.

또한, 제n 자기 냉각 사이클(10.n)에 구비되는 고온열교환부(300) 역시 다른 자기 냉각 사이클의 저온열교환부와 열교환하지 않는다. 즉, 상기 제n 자기 냉각 사이클(10.n)에 구비되는 고온열교환부(300)에서 열전달유체의 온열은 온열의 사용처에 공급될 수 있다.

이하, 다른 도면을 참조하여, 전술한 자기장 인가부(200)에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 3은 자기장 인가부의 작동 원리를 나타내는 도면이다.

복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n)은 동일한 구조의 자기장 인가부(200)를 각각 구비할 수 있다.

상기 자기장 인가부(200)는 자기열교환기(100)를 향해 자기장을 선택적으로 인가(착자)하거나 소거(탈자)할 수 있다.

상기 자기장 인가부(200)는 영구자석으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 자기장 인가부(200)는 자기열교환기(100) 둘레에 배치되는 회전 자석(211) 및 상기 회전 자석(211) 둘레에 배치되는 고정 자석(212)을 포함할 수 있다. 상기 회전 자석(211) 및 상기 고정 자석(212)은 모두 영구자석 어레이로 형성될 수 있다.

상기 회전 자석(211)은 도시되지 않은 모터에 의해 회전될 수 있다. 상기 회전 자석(211)의 회전구동은 전술한 펌프(P1, P2)의 작동과 동기화될 수 있다.

도 3에 표시된 화살표는 자기력선의 방향을 나타낸다. 즉, 상기 회전 자석(211)의 자기력선의 방향과 상기 고정 자석(212)의 자기력선의 방향이 일치하면 상기 자기열교환기(100)에 자기장이 인가(착자)될 수 있다. 반대로, 상기 회전 자석(211)의 자기력선의 방향과 상기 고정 자석(212)의 자기력선의 방향이 반대로 되면, 상기 자기열교환기(100)에 자기장이 소거(탈자)될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 회전 자석(211)의 회전에 기초하여, 자기열교환기(100)에 대한 자기장의 인가 및 소거가 반복될 수 있다. 그리고, 자기장 인가부(200)에 의한 자기열교환기(100)의 착자 및 탈자는 펌프(P1, P2)의 작동과 동기화될 수 있다.

이하, 다른 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 자기 냉각 시스템에 의해 달성되는 효과에 대하여 설명하다.

도 4는 도 2의 자기 냉각 시스템의 구동에 따른 T-S선도(온도-엔트로피 선도)를 나타낸다.

예를 들어, 도 4는 3개의 자기 냉각 사이클을 포함하는 자기 냉각 시스템의 경우를 나타낸다.

도 4에서, "a"는 제1 자기 냉각 사이클에 의해 확보되는 온도범위를 나타내고, "b"는 제2 자기 냉각 사이클에 의해 확보되는 온도범위를 나타내며, "c"는 제3 자기 냉각 사이클에 의해 확보되는 온도범위를 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1 자기 냉각 사이클만 있을 때에 비해, 서로 열교환 가능한 제1 내지 제3 자기 냉각 사이클이 구비되는 경우에 작동온도범위(a+b+c)가 확대되는 것을 알 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 자기 냉각 시스템(10)이 복수 개의 자기 냉각 사이클(10.1~10.n)을 포함함에 따라서, 자기 냉각 시스템(10)을 통해 확보할 수 있는 고온과 저온의 범위가 확대될 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100 자기열교환기 200 자기장인가부
300 고온열교환부 400 저온열교환부

Claims (17)

1. 복수 개의 자기 냉각 사이클을 구비하는 자기 냉각 시스템으로서,
   각각의 자기 냉각 사이클은,
   열전달유체와 열교환하는 자기열량재료가 내장된 자기열교환기;
   상기 자기열교환기의 둘레에 배치되어 상기 자기열량재료에 선택적으로 자기장을 인가하는 자기장 인가부;
   상기 자기열교환기가 탈자될 때 상기 자기열교환기를 향해 제1방향으로 열전달유체를 공급하는 제1펌프와, 상기 자기열교환기가 착자될 때 상기 자기열교환기를 향해 상기 제1방향과 반대인 제2방향으로 상기 자기열교환기에 열전달유체를 공급하는 제2펌프;
   열전달유체가 상기 제1펌프에 의해 가압될 때, 자기열량재료와의 열교환을 통해 냉각된 열전달유체가 안내되는 저온열교환부; 및
   열전달유체가 상기 제2 펌프에 의해 가압될 때, 자기열량재료로부터 열을 흡수하여 가열된 열전달유체가 안내되는 고온열교환부를 포함하고,
   서로 이웃하는 2개의 자기 냉각 사이클 중 하나의 사이클에 구비되는 고온열교환부는 다른 하나의 사이클에 구비되는 저온열교환부와 열교환하도록 배치된 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수 개의 자기 냉각 사이클 각각의 작동온도범위는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 작동온도범위는 상기 자기열교환기 내에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   각각의 자기 냉각 사이클에 구비되는 자기열교환기는 저온단과 고온단을 각각 구비하고,
   서로 이웃하는 2개의 자기 냉각 사이클 중 하나의 사이클에 구비되는 자기열교환기의 고온단의 온도와 다른 하나의 사이클에 구비되는 자기열교환기의 저온단의 온도는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 복수 개의 자기 냉각 사이클은 n개(n은 2이상의 자연수)의 자기 냉각 사이클을 포함하고,
   제n-1 자기 냉각 사이클에 구비되는 제n-1 자기열교환기의 고온단의 온도는 제n 자기 냉각 사이클에 구비되는 제n 자기열교환기의 저온단의 온도와 동일한 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   제n-1 자기 냉각 사이클에 구비되는 고온열교환부와 제n 자기 냉각 사이클에 구비되는 저온열교환부가 서로 열교환하는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
7. 제5항에 있어서,
   각각의 자기 냉각 사이클에 구비되는 자기열교환기 내에는 서로 다른 큐리온도를 구비하는 복수 개의 자기열량재료가 상기 자기열교환기의 길이방향을 따라서 배열되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   서로 이웃하는 2개의 자기 냉각 사이클 중 하나의 사이클에 구비되는 자기열교환기의 고온단에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도와 다른 하나의 사이클에 구비되는 자기열교환기의 저온단에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   제n-1 자기 냉각 사이클에 구비된 자기열교환기의 고온단에 배치되는 자기열량재료의 큐리온도와 제n 자기 냉각 사이클에 구비된 자기열교환기의 저온단에 배치되는 자기열량재료의 큐리온도는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    상기 펌프는 제1펌프 및 제2펌프를 포함하고,
    각각의 자기 냉각 사이클은,
    제1펌프에 의해 가압되는 열전달유체를 자기열교환기의 고온단으로 안내하는 제1유로;
    자기열교환기를 고온단으로부터 저온단으로 통과한 열전달유체를 제2펌프로 안내하는 제2유로;
    제2펌프에 의해 가압되는 열전달유체를 자기열교환기의 저온단으로 안내하는 제3유로; 및
    자기열교환기를 저온단으로부터 고온단으로 통과한 열전달유체를 제1펌프로 안내하는 제4유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1유로 및 상기 제4유로는 제1연결유로를 통해 제1펌프에 연결되고, 상기 제2유로 및 상기 제3유로는 제2연결유로를 통해 제2펌프에 연결된 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1유로 및 상기 제4유로는 제3연결유로를 통해 자기열교환기의 고온단에 연결되고,
    상기 제2유로 및 상기 제3유로는 제4연결유로를 통해 자기열교환기의 저온단에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
13. 제11항에 있어서,
    상기 제1유로에는 열전달유체가 상기 자기열교환기를 향하는 방향으로만 흐르도록 하는 제1체크밸브가 구비되고,
    상기 제4유로에는 열전달유체가 상기 제1펌프를 향하는 방향으로만 흐르도록 하는 제4체크밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제2유로에는 열전달유체가 상기 제2펌프를 향하는 방향으로만 흐르도록 하는 제2체크밸브가 구비되고,
    상기 제3유로에는 열전달유체가 상기 자기열교환기를 향하는 방향으로만 흐르도록 하는 제3체크밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
15. 제10항에 있어서,
    상기 복수 개의 자기 냉각 사이클은 n개(n은 2이상의 자연수)의 자기 냉각 사이클을 포함하고,
    제n-1 자기 냉각 사이클의 고온열교환부는 제n-1 자기 냉각 사이클의 제1유로에 구비되고, 제n 자기 냉각 사이클의 저온 열교환부는 제n 자기 냉각 사이클의 제2유로에 구비되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
16. 제15항에 있어서,
    제n-1 자기 냉각 사이클의 저온열교환부는 제n-1 자기 냉각 사이클의 제3유로에 구비되고, 제n 자기 냉각 사이클의 고온 열교환부는 제n 자기 냉각 사이클의 제4유로에 구비되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
17. 제15에 있어서,
    제n-1 자기 냉각 사이클의 고온열교환부와 제n 자기 냉각 사이클의 저온열교환부는 하나의 열교환 챔버 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.

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