KR20090041389A - 자기 열 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최대의 열교환율(heat exchange coefficient)을 가지며, 산업 및 가정용 모두의 광범위한 범위에 적용되도록 산업화하기 간단하게 된, 높은 열 효율의 콤팩트(compact)하면서 다목적인 자기 열 발생기(magneto-calorific thermal generator)에 관한 것이다.

본 열 발생기(1)는 다수의 열 요소들(thermal elements)(40)로 구성되는 하나 이상의 열 모듈(thermal module)(10)을 포함하고, 상기 열 요소들은 열전달 유체(heat transfer fluid)의 순환을 위해 열 요소들 사이에 채널들(channels)이 형성되도록 스택(stacked)되어 배열되며, 상기 채널들은 핫 회로 흐름(hot circuit flow)의 열전달 유체를 순환시키는 핫 채널들(hot channels) 및 콜드 회로 흐름(cold circuit flow)의 열전달 유체를 순환시키는 콜드 채널들(cold channels)로 분리되며, 상기 핫 채널들 및 콜드 채널들은 상기 열 요소들(40) 사이에서 교호적으로 배치되며, 상기 열 요소들은, 각각의 핫 회수 회로 및 콜드 회수 회로의 열전달 유체의 유동을 각각 대응하는 핫 채널들 및 콜드 채널들로 분배하도록, 서로 소통하는 유체의 입구 오리피스들(inlet orifices)및 출구 오리피스들(outlet orifices)을 가지고 있는 것을 특징으로 하고 있다.

적용 분야로는, 산업용 및 가정용으로 설치되는 히팅(heating), 템퍼링(tempering), 공기 조화 또는 냉장 분야들이 해당될 수 있다.

자기열 발생기, 자기열, 열 요소, 열 모듈, 칼로리, 프리거리, 핫 채널, 콜드 채널.

Description

자기 열 발생기 {MAGNETOCALORIC THERMAL GENERATOR}

본 발명은 자기 열 발생기(magneto-calorific thermal generator)에 관한 것으로서, 상기 자기 열 발생기에는, 자기-열 발생 재료(magneto-calorific material)를 기반으로 하는 열 요소들(thermal elements)과, 상기 열 요소들에 자기장(magnetic field)의 변화를 일으켜 그들의 온도를 변화시키도록 배치된 자기 수단(magenetic means)과, 기능적 사이클(functional cycle)에 따라 상기 열 요소들이 방출하는 칼로리(calories) 및 프리거리(frigories)를 각각 회수하도록 되어 있는 별도의 열전달 유체(heat transfer fluid)가 순환하는, "핫(hot)"으로 칭해지는 회수 회로(collector circuit)와 "콜드(cold)"로 칭해지는 회수 회로로 구성된 2개 이상의 별개의 회수 회로들 및, 상기 회수된 칼로리 및 프리거리를 활용하도록 설계된 외부회로들(external circuits)에 상기 회수 회로들을 연결하는 수단(means of connecting)이 포함된다.

자기 열 발생 효과가 있는 일정 재료들을 사용하는 새로운 열 발생기는, 지속가능한 발전 및 온실효과의 감소 측면에서 향후 사라지게 될 기존의 발생기에 대 해 매우 흥미있고 생태학적인 대체안을 제공하고 있다. 그러나 매우 짧은 사이클(cycle) 시간과 발생하는 온도 구배(gradient)가 작다는 점 및 제한된 자기의 강도를 염두에 두면서, 경제적으로 생존가능하고 양호한 열 효율을 제공하기 위해서,이러한 재료들에 의해 방출되는 칼로리 및 프리거리를 회수하는 수단의 설계 및 이러한 발생기들의 설계는 매우 중요하다. 회수되는 에너지는 자기-열 발생 재료의 질량과 자기장의 강도 및 열전달 유체와의 교환 시간과 밀접하게 연계되어 있다. 열교환기의 전달 인자(transfer factor)는, 열교환면과 접촉하는 열전달 유체의 유량에 비하여 열교환 면적에 연계되어 있는 것으로 알려져 있으며, 이 때문에 열교환 면적이 클수록 전달율(transfer coefficient)이 높아진다.

기존의 발생기들에서, 회수 회로는 회수의 수단으로서 사용되며, 이 회로는, 콜드 회로 및 핫 회로에 교호적으로 공급되는 단일의 열전달 유체가 흐르는 열 요소들을 가로질러 가도록 되어 있다. 그 결과, 이 해법에서는 발생기의 에너지 효율을 크게 불리하게 하는 높은 열관성(thermal inertia)을 생성하게 된다.

본 출원인에 의해 제출된 프랑스 특허 출원 제 05/08963호에서는 새로운 발생기 설계를 제안하고 있는데, 여기에서는 핫 회수 회로 및 콜드 회수 회로의 두 개의 분리된 회수 회로들이 열 요소들을 가로지르며, 상기 각 회수회로에는 별도의 열전달 유체가 순환한다. 각각의 열 요소는, 두 개의 분리된 회수 회로들을 형성하는 방식으로 열전달 유체를 순환시키는 통로들 서로 간의 경계를 이루어주는, 자기-열 발생 재료로 된 리브붙이 판들(ribbed plates)의 스택(stack)으로 구성된 세모기둥 모양의 인서트(insert)의 형태를 취하고 있다. 이들 열 인서트들은, 다른 열 인서트들의 대응하는 회수 회로들을 연결하는 도관들(conduits) 및 적절한 하우징들(housings)이 제공되어 있는 판에 장착된다. 이 해법은, 핫 회로를 위한 하나의 유체 및 콜드 회로를 위한 하나의 유체가 제공되는 상태에서, 열전달 유체의 열관성을 제거하는 장점을 가지며, 열교환 표면적을 증가시킴으로써 발생기의 열효율을 증가시키는 장점을 가지게 된다. 그러나, 고비용이고 비모듈화 형태로 되어 있어서 산업화하기가 어렵다는 단점을 지니고 있다.

본 발명은 높은 에너지 효율 및 최대의 전달율을 가지며, 알맞은 비용으로 산업화하기 용이하고 산업 및 가정용 응용들 모두의 광범위한 범위에 적용되도록 모듈 형태를 가지는, 소형 및 다목적의 자기 열 발생기를 제안함으로써, 상기한 단점들을 극복하려는 것이다.

이 목적을 위해, 본 발명은, 열전달 유체의 순환을 위한 채널들을 서로 간의 경계를 이루도록 스택되어 배치된 다수의 열 요소들로 구성되는 하나 이상의 열 모듈들을 포함하고, 상기 채널들은 핫 회로의 열전달 유체가 유동하는 핫 채널들 및 콜드 회로의 열전달 유체가 유동하는 콜드 채널들로 분할되며, 상기 열 요소들은, 핫 및 콜드 회수 회로 각각의 열전달 유체의 유동을 각각 대응하는 핫 및 콜드 채널들로 분배하도록, 서로 소통하는 유체의 입구 및 출구 오리피스들(orifices)을 가지는 것을 특징으로 하는, 앞서 설명한 타입의 열 발생기를 제공한다.

이러한 스테이지 구성은, 평행한 채널들을 갖는 소위 열 모듈들(thermal modules)인, 열 서브 조립체들(thermal sub-assemblies)의 형성을 허용하며, 상기 열 모듈들은 직렬 및/또는 병렬로 함께 연결 가능하다. 이러한 구성으로 인해, 열 모듈 당의 스택된 열 요소들(stacked thermal elements per thermal module)의 수를 요구되는 유체 유동량에 따라 변화시킬 수 있고, 병렬로 된 열 모듈들의 수도 요구되는 온도 범위에 따라 변화시킬 수 있어서, 매우 큰 모듈성(modularity)을 제공하게 된다.

본 발명 및 그의 장점들은, 첨부 도면들을 참조하여, 비제한적인 예로서 주어진 여러 실시예들에 대한 이하의 설명으로부터 좀더 분명하게 이해될 수 dlTdmf 것이다.

도1은 본 발명에 따른 열 발생기의 분해 사시도이다.

도2 및 도3은 도1 발생기의 두 가지 형태의 예들에 대한 사시도이다.

도4는 도1 발생기의 구성에 포함된 열 모듈의 사시도이다.

도5는 도1 발생기의 하나의 말단부의 부분 상세 단면도이다.

도6a는 도4의 열 모듈의 정면도이며, 도6b는 도4의 상세 A의 확대 사시도이며, 도6c는 도6b의 에지(edge)의 평면도이다.

도7a는 두 개의 열 섹터들(thermal sectors)을 나타내는, 도4의 모듈의 두 개의 열 요소들의 부분 단면도이며, 도7b 및 도7c는 도6a의 열 요소의 BB 및 CC선에 따른 단면도들이다.

도8a는 열 섹터의 축방향 단면도이며, 도8b는 상세 D의 도면이다.

도9a는 인서트가 결합된 열 섹터의 축방향 단면도이며, 도9b는 상세 E의 도면이다.

도10a, 도10b, 도11a 및 도11b는 본 발명에 따른 열 요소의 두 개의 변형예들의 정면도 및 배면도이다.

도12 및 도13은 자기-열 발생 부품들의 변형들을 나타낸 도면들이다.

도14 및 도15는 자기-열 발생 인서트들의 변형들을 나타낸 사시도들이다.

도16a는 다른 변형예에 따른 열 섹터의 사시도이며, 도16b는 상세 F의 사시도이다.

도17a는 본 발명에 따른 열 모듈의 제1 변형예를 나타낸 사시도 및 도17b는 상세 G의 사시도,

도18a는 본 발명에 따른 열 모듈의 제1 변형예를 나타낸 사시도이며, 도18b는 이 모듈의 서브-조립체에 대한 도면이며, 도18c는 도18b의 상세 H에 대한 도면이다.

도19a는 본 발명에 따른 열 모듈의 제3 변형예를 나타낸 사시도이며, 도19b는 상세 I에 대한 도면이다.

도1을 참조하면, 본 발명에 따른 열 발생기(1)는, 분배기 디스크들(distributor discs)(20)에 의해 연결되어 밀봉 플랜지들(30)에 의해 폐쇄되는, 6개 한 세트로 스택된 열 모듈들(10)을 포함한다. 상기 열 모듈들(10)의 갯수 및 구성은 원하는 성능에 따라 가변적이다. 도시된 밀봉 플랜지(30)에는, 열 발생기(1)에 의해 생성되는 칼로리 및 프리거리를 각각 사용하는 외부 핫 회로 및 외부 콜드 회로(도시 안됨)에 연결되도록 설계된, 2개의 공급 오리피스들(feed orifices)(31) 및 2개의 배출 오리피스들(discharge orifices)(32)로 된, 4개의 오리피스들(31, 32)들이 있다. 상기 연결은 요건에 따라, 열 발생기(1)의 일측(single side) 또는 양측(both sides)에서 행해질 수 있다. 분배기 디스크들(20)은, 다른 열 모듈들(10)의 핫 및 콜드 회수 회로들을 직렬, 병렬, 또는 직렬/병렬 조합으로 함께 연결할 수 있게 하고, 외부 핫 및 콜드 회로들과의 연결할 수 있게 하는 분배 홈들(distribution grooves)(22) 및 오리피스들(21)을 가진다. 상기 분배기 디스크들(20)은 쌍으로 배열될 수 있고, 각 디스크는 도1 및 도4에 나타낸 바와 같이, 회수 회로들 중 하나에 전용으로 제공된다. 또한, 상기 분배기 디스크는, 상기와 동일한 기능을 수행하도록 오리피스들(21) 및 분배 홈들(22)의 특별한 배열 형태를 가지는. 양면 싱글 디스크(double-sideed single discs)(도시 안됨) 형태로 형성될 수도 있다.

도1의 예에서, 열 발생기(1)는, 회전하거나 또는 축방향으로 이동하며 반경방향으로 대향하는 두 개의 자기 조립체들(magnetic assemblies)(3)을 지지하는 축(2)을 가지며, 이 축은, 연속, 불연속, 시퀀셜 또는 왕복 운동을 제공하는 공지된 타입의 임의의 작용기(actuator)(도시 안됨)에 의해 구동된다. 자기 조립체들(3)의 갯수, 위치 및 타입은 열 모듈들(10)의 구조에 따라 변경될 수 있으며 결 정될 수 있다. 상기 자기 조립체들(3)은 영구 자석들, 전자석들, 초전도자석 또는 임의의 다른 자석들로 형성될 수 있는데, 사이즈와 사용 간편성 및 저비용의 측면에서 장점이 있는 영구 자석들이 바람직하다. 이 영구 자석들은 자기장 라인들을 집중시켜 배향하는 하나 이상의 자기 작용 재료들(magnetisable materials)과 연계되어 고형화(solid), 소결(sintered), 점착(glued) 또는 적층(laminated)될 수 있다. 추가적인 밀봉을 위해, 상기 열 모듈들(10)은 내부 슬리브(sleeve)(4) 및 외부 슬리브(5) 내에 내장될 수 있다(도5 참조). 이 경우, 이 슬리브들(4, 5)의 말단부들은 시일들(seals)(33)에 의해 밀봉 플랜지(30)에 결합된다. 만일 열 모듈들(10)의 구조가 충분한 밀봉이 얻어지도록 되어 있다면, 상기 내부 슬리브(4) 및/또는 외부 슬리브(5)는 생략될 수 있다.

상기 열 모듈들(10)은 바람직하게는 강자성 재료(ferromagnetic material)로 된 아마추어(armature)(6)로 둘러싸여질 수 있는데, 이것의 주기능은 자기 조립체들(3)에 의해 발생되는 자속(magnetic flux)을 차단하는 것이다. 도시되지 않은 변형된 실시예에서, 자기 조립체들(3)에 의해 발생되는 자속은 외주에 배치되는 추가의 동적인 또는 정적인 자기 조립체들에 의해 차단될 수 있다. 상기 열 모듈들(10)은, 예컨대 두 개의 밀봉 플랜지들(30) 사이로 연장하는 타이 로드들(tierods)(34)(도5 참조) 또는 베어링들에 의해 축(2) 상에 장착되는 클램프들(clamps)(도시 안됨)과 같은 임의의 공지된 수단을 사용하여 조여져서 조립될 수 있다. 여타의 다른 조립 모드도 고려될 수 있는데, 필수적인 요소는 열 모듈들을 서로 간에 기계적으로 지지하고, 발생기의 내부 핫 및 콜드 회수 회로들을 밀봉하 는 것이다.

도시된 다른 예들에서, 열 발생기(1)는 원형 형태를 나타내고 있다. 즉 상기 열 모듈들이 환상 형태로서 자기 조립체들(3)을 지지하는 축(2) 둘레에 배열되어 잇다. 또한, 본 발명은, 상기 열 요소들이 선형 방식으로 배열되고 자기 수단들이 왕복 운동 또는 시퀀셜 운동(sequential movement)으로 구동되는 직선 형태(도시 안됨)를 가진 열 발생기도 포함하고 있다.

상기 열 모듈들(10)은, 도2에 도시된 바와 같이, 임의의 공지된 수단에 의해 기부(base)(7) 상에 장착될 수 있다. 이 예에서, 열 발생기(1)는 분배기 디스크들(20)(도시 안됨)에 의해 연결되어 밀봉 플랜지들(30)에 의해 폐쇄된 5개의 열 모듈들(10)로 된 두 개의 조립체들을 포함하고 있다. 상기 기부(7)는, 상기 발생기의 축에 평행하면서 임의의 공지된 타입의 전동(傳動) 장치에 의해 발생기의 축에 연결되는 액튜에이터(actuator)(8)를 지지하고 있다. 상기 액튜에이터(8)는 축(2)과 일렬로 배열되어 축(2)에 직접 연결될 수 있다. 도3에서, 열 발생기(1)는 4개의 조립체들을 포함하고 있는데, 상기 각 조립체는 6개의 열 모듈들(10)로 이루어져 기부(7) 상에 헤드 투 풋(head to foot) 형태로 장착되어 있다. 하나의 액튜에이터(8)가 공지된 임의 타입의 기계적 전동 장치(도시 안됨)에 의해 각 조립체의 축들(2)에 연결되어 있다. 이 예들은 여러 가지 가능한 형태들의 아이디어를 제공하여 준다. 모듈의 구조로 인해, 본 발명에 따른 열 발생기(1)는 각각의 응용에 대해 필요한 유체 유량 및 원하는 가열 또는 냉각 용량에 따라 무제한적인 형태로 형성될 수 있다. 상기 액튜에이터(8)는, 예컨대 풍력 발전기, 유압 터빈, 내연 기관, 전기 모터, 동물 또는 육체 활동 에너지에 기반한 모터, 로터리 액튜에이터 또는 여타의 장치 등의 기계적 토크를 발생하는 임의의 시스템으로 구성될 수 있다. 전기 액튜에이터의 경우에, 에너지는 광전 변환기(photoelectric transducer), 태양 전지, 풍력 발전기, 주 전기(mains electricity), 발전기 또는 여타의 장치에서 얻을 수 있다.

각각의 열 모듈(10)은 N개의 열 요소들(40)로 구성되는데, 상기 열 요소들은 스택될 수 있게끔, 동일하거나 또는 상보적인 기하학적 형상으로 되어 있다. 열 모듈의 일례가 도4에 도시되어 있는데, 여기에는 축방향으로 스택된 편평한 링들의 형태로 된 17개의 열 요소들(40)이 포함되어 있다. 상기 열 요소들(40)은 도6a-도6c 및 도7a-도7c에 상세하게 나타나 있으며, 열요소들 사이에는 열 전달 유체의 순환을 위한 채널들(50)이 형성되는 특징을 가진다. 상기 채널들은, 핫 회수 회로의 유체가 유동하는 소위 핫 채널들 및 콜드 회수 회로의 유체가 유동하는 소위 콜드 채널들이 된다. 상기 핫 및 콜드 채널들(50)은, 각각의 열 요소(40)가 일측(one side)에는 핫 채널(50)을 그리고 타측에는 콜드 채널(50)을 가지도록, 열 요소들(40) 사이에 교대로 제공되어 있다. 상기 채널들(50)은 유체 와동(渦動)을 갖거나 또는 갖지 않는, 층류(laminar) 또는 약한 난류(low turbulence)의 흐름을 발생하기 위해, 예컨대 0.01 내지 10 mm , 바람직하게는 0.15 내지 1.5 mm 범위의 작은 두께를 가지며, 이로써 핫 열전달 유체의 흐름이 두 개의 인접한 열 요소들(40) 사이에 유동하고, 콜드 열전달 유체의 흐름이 다음의 두 개의 인접한 열 요소들 사이에 유동하게 된다. 상기 열 요소들(40)은, 평행한 형태로 주어진 회수 회로의 채널 들(50)을 소통시키게 배치되는 출구 오리피스들(52) 및 입구 오리피스들을 가진다. 또한, 상기 열 요소들(40)은, 동일하게 또는 동일하지 않게 여러 개의 분리된 열 섹터들(thermal sectors)(53)로 분할될 수 있으며, 각 섹터는 채널(50), 입구 오리피스(51) 및 출구 오리피스(52)를 가져서, 유체의 각각의 흐름에서 평행한 회로들을 형성할 수 있다. 이 방식으로, 각 회수 회로의 열전달 유체의 유동은, 첫번째로 열 섹터들(53)의 수 S/2로 나뉜 다음, 두 번째로 스택된 열 요소들(40)의 수 N/2로 나뉘어진다. 상기 열전달 유체의 유동의 스테이지식 분포는 각 채널(50)의 유체의 흐름의 유량 및 속도에 상당한 감소를 허용하며, 이로써 전달율을 증가시키는 동시에 에너지 손실을 감소시킨다.

도시되지 않은 버젼에서, 채널들(50)을 경계 지어주고 밀봉을 제공하기 위해, 열 요소들(40) 사이에, 예컨대 테프론 시트들 또는 유사물 등의 스페이서 판들(spacer plates)이 삽입될 수 있다.

도4, 도6a-도6c 및 도7a-도7c에 도시된 예들에서, 열 모듈(10)의 열 요소들(40)은 약 45°의 각도로, 8개의 동일한 열 섹터들(53)로 분할되어 있다. 도7a는 두 개의 인접한 열 요소들(40)의 열 섹터들(53)에서의 열전달 유체의 통로를 나타내고 있다. 각각의 열 섹터(53)는, 가로질러 놓인 상태로 그의 채널(50)과 소통하는 입구 오리피스(51) 및 출구 오리피스(52) 및 다음 열 요소(40)의 채널(50)과 소통하도록 가로 놓인 입구 오리피스(51) 및 출구 오리피스(52)의 4개의 오리피스들을 가진다. 열 모듈(10)에 대한 자기 조립체들(3)의 각도 위치에 따라, 다른 열 섹터들(53)의 채널들(50) 내에서 순환하는 열전달 유체가 액티브(active) 또는 패시 브(passive)로 된다. 자기장의 영향을 받게 되는 열 섹터들(53)에서, 핫 회수 회로의 열전달 유체는 액티브이고, 자기장의 영향을 받지 않는 다른 열 섹터들(53)에서는, 콜드 회수 회로의 열전달 유체가 액티브이다. 동시에, 상기 동일 섹터들 내의 콜드 및 핫 회수 회로들의 열전달 유체는 패시브이다.

이 예에서, 각 열 요소(40)는 지지부(70)에 의해 지지되는 다수의 열전도 인서트들을 가지며, 상기 인서트들(60)은 지지부(70)의 면적의 대부분을 차지한다. 상기 인서트들(60)은 원형 섹터의 형상이며, 자기-열 발생 재료를 예컨대 절단, 기계 가공 또는 주조하여 만들어진다. 용어 "자기-열 발생 재료"는, 예컨대 가돌리늄(Gd), 실리콘(Si) 등을 포함하는 가돌리늄 합금, 게르마늄(Ge), 철(Fe) 등을 포함하는 망간 합금, 마그네슘(Mg), 인(P), 란탄 합금, 니켈(Ni) 합금, 임의의 다른 등가의 자기 작용 재료 또는 합금 등의 자기-열 발생 물질로부터 부분적으로 또는 전체적으로 제조된 재료를 의미하며, 또는 분말, 입자, 고형체(solid) 또는 다공성 블럭(porous block), 미니 또는 마이크로 채널들을 형성하는 스택되어 홈이 있는 판들의 조립체의 형태로 나타나는, 다른 자기-열 발생 재료들의 조합을 의미한다. 상기 자기-열 발생 재료들 간의 선택은 요구되는 가열 또는 냉각 파워 및 필요한 온도 범위들에 따라 정해진다.

상기 지지부(70)는 가요성 또는 경질의 상태일 수 있으며, 예컨대 열가소성 물질, 엘라스토머(elastormers), 수지(resins) 또는 여타의 열 절연 재료 등의, 충전재(充塡材)를 갖거나 또는 갖지 않는, 천연 또는 합성 재료들로부터 제조될 수 있다. 이는 기계가공, 스테레오 리소그래피(stereo lithography)에 의한 3D 프린 팅, 에칭, 주조, 주입(injection) 또는 유사한 공정들에 의해 얻어질 수 있다. 바람직하게는 전후면들이 눈에 보이게 남아있는 인서트들의 둘레에 오버몰드(overmoulded) 되는 것이다. 상기 지지부(70)는, 인서트들(60)을 유지하는 기능, 채널들(50)의 두께가 확보되도록 스택된 열 요소들(40) 사이에서의 스페이서로서의 기능, 열 요소들(40)이 스택될 때 상기 열 요소들(40) 사이를 밀봉하는 기능, 그리고 필요하다면, 조립를 용이하게 하고 열 요소들(40)을 서로 간에 위치시키기 용이하도록 인덱싱 및/또는 배치 기능 등의 여러 기능들을 겸비하도록 배열되어 있다. 도시 안된 변형 예에서, 상기 지지부는 열 기능을 추가하도록 자기-열 발생 재료의 입자들 또는 섬유들로 충전될 수 있다.

환형 형상의 열 요소(40)가 도7a에 상세하게 나타나 있고, 도7b 및 도7c에는 단면도가 나타나 있다. 이는 대략 장방형 단면으로 나타내지며, 제1 열전달 유체의 순환을 위한 채널(50)을 형성하는 전면 상에 홈이 있는 영역들(recessed areas), 및 제2 열전달 유체의 순환을 위해 다음 열 요소(40)의 채널(50)을 폐쇄하는 그 후면의 편평한 영역을 가지고 있다. 이 경우 상기 채널(50)은, 하부에서는 인서트들(60)의 전면에 의해, 측면들에서는 지지부(70)의 에지들에 의해 형성된다. 열 요소(40)의 편평한 후면은 인서트들(60) 및 지지부(70)의 후면에 의해 형성된다. 상기 지지부(70)의 전면에는, 인서트들(60)의 전체 표면에 걸친 유체의 분포를 개선하도록 채널(50)을 두 개 이상의 부분들로 분할하는 하나 이상의 연속 또는 불연속의 중앙 립들(central ribs)(71)이 있을 수 있다. 도시 안된 다른 변형 예에서, 상기 지지부(70)는 그의 전면 및 후면 상에 핫 및 콜드 열전달 유체들의 순환을 위한 채널(50)을 형성하는 홈이 있는 영역들을 가질 수 있다. 상기 지지부(70)의 전면 및 후면들은, 열 요소들(40)이 타이트(tight)한 배열로 스택될 때, 채널들(50)의 밀봉을 보장하는 밀봉 면들을 형성한다. 동일한 기능들을 수행하는 임의의 다른 방식도 적절하게 사용될 수 있음은 분명하다. 또한, 유체 흐름의 두께 및 그에 따른유체의 유동 속도에 영향을 주기 위해 지지부(70)의 일정 영역들의 두께 및/또는 인서트들(60)의 두께도 변경할 수 있다.

상기 열 요소들(40)은 다른 형태들을 가질 수 있다. 도10a 및 도10b 각각에는, 대략 60°의 각도로 각각 인서트들(60)로 구성된 6개의 동일한 별개의 열 섹터들(53)을 갖는 열 요소(40)의 정면도 및 배면도가 나타나 있다. 도11a 및 도11b에서, 열 요소(40)는, 대략 180°의 각도로 각각 인서트들(60)로 구성된, 2개의 동일한 별개의 열 섹터들(53)만을 갖고 있다. 원의 섹터들 형태인 상기 인서트들(60)은 다른 기하학적 형상들 또는 임의의 형상들을 가질 수 있다. 또한, 이들은 도12에 도시된 예에서와 같이 스트립들(strips)(61)로 대체될 수 있고, 이 스트립들(61)은 도11에 도시된 바와 같이 2개의 열 섹터들(53)을 갖는 열 요소(40)에서 사용될 수 있다. 또한, 상기 인서트들(60)은 상호 연결된 인서트들을 형성하도록 분리된 링(62), 또는 임의의 다른 등가의 형상으로 대체될 수 있다. 동일한 방식으로, 각기 다른 자기-열 발생 재료(60, 61, 62)들은 도14의 인서트(60)에서와 같이, 교란이 없는(disturbance-free) 유체 유동을 촉진하도록 편평한 표면들을 가지거나, 또는 다른 한편으로, 도15의 인서트(60)에서와 같이, 열전달 유체와의 교환 면적을 증가시키도록 적어도 하나 이상의 표면에 홈들(63) 또는 유사한 형태들을 형성하는 양각 형상(relief feature)을 가질 수 있다. 유체의 유동에 대한 상기 홈들(63)의 방향 및 형상에 따라, 전달율을 증가시키기 위한 섭동(perturbation)이 형성될 수 있다. 도16a에 도시된 열 요소(40)는 양면 상에 경사진 홈들(64)을 지닌 인서트들(60)을 가지고 있는데, 그의 상세도가 도16b에 나타나 있다. 이 경사진 홈들(64)은 유체의 흐름에, 통상 와동으로 알려진 소용돌이를 생성하게 된다.

주어진 열 모듈(10)에서, 주어진 회수 회로의 채널들(50)의 입구 오리피스들(51) 및 출구 오리피스들(52)은 나란하게 제공된다. 다른 채널들(50)에서 열전달 유체의 분포를 균일하게 하도록, 적어도 입구 오리피스들(51)은 유체 유동의 방향으로 작아지는 단면을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구조가 도8a 및 도8b에 나타나 있으며, 이로인해 주어진 체적의 유체가 채널들(50) 각각에서 동일 유동 속도로 순환하는 것이 가능해지고, 동일한 전달율을 얻을 수 있게 되어 에너지 손실을 감소시킬 수 있다. 그러나 이 구조에는, 각각의 열 요소(40)들이 다른 형상을 갖게 되는 것이 요구된다. 다른 해법으로는, 도9a 및 9b에 도시된 예에 따라, 작아지는 단면의 오리피스들(73)을 갖는 인서트(72)를 형성하는 것인데, 이 인서트(72)는 동일한 단면의 열 요소들(40)의 입구 오리피스들 내측에 내장된다. 이 해법에 의해, 이러한 구조의 산업적 생산이 상당히 단순화된다. 또한, 상기 인서트(72)는 열 요소들(40)을 서로 정렬시켜서 어떠한 회전도 방지되도록 할 수 있다. 이 예들은 유체 유동의 방향으로 증가하는 단면을 가진 출구 오리피스들(52)에도 적용될 수 있음이 분명하다.

도시 안된 변형 예에서, 주어진 열 모듈(10)의 열 요소들(40)은 서로에 대해 각도 옵셋(angular offset)을 가질 수 있고, 이로써 입구 오리피스들(51) 및 출구 오리피스들(52)이 축선을 따라 정렬되지 않고 나선형 경로를 형성하여, 채널들(50) 안밖으로의 열전달 유체의 진출입이 촉진될 수 있다.

또한, 상기 열 모듈(10)은 다른 구조를 가질 수 있다. 도17a 및 도17b에 도시된 열 모듈(11)은 축 방향으로 스택된 편평한 링 형태로 된 N개의 열 요소들(41)을 가지고 있다. 각 열 모듈(41)은 6개의 열 섹터들(53)에 분포된 자기-열 발생 재료의 둥그런 인서트들(60)을 가지며, 채널(50)은 상기 인서트들(60)에 걸쳐 지그 재그 형태로 순환하고 있다. 도18a는, 각각 축 방향으로 조립된 3개의 동일한 서브-조립체들로 형성된, 3개의 열 모듈들(12)의 조립체를 나타내고 있다. 서브-조립체들 중 하나가 도18b에 도시되어 있는데, 여기에는, 반경 방향으로 스택된 동심의 링들 형태로 된 3개의 열 요소들(42)이 포함되어 있으며, 상기 열요소들 사이에는 채널들(50)이 형성되어 있다. 각각의 열 요소(42)는 6개의 열 섹터들(53)에 분포된 자기-열 발생 재료의 둥그런 인서트들(60)을 가진다. 이 변형 예에는 축방향 스택과 반경 방향 스택의 조합이 도시되어 있다. 도19a에는, 축 방향으로 조립된 6개의 동일한 열 모듈들(13)의 조립체가 도시되어 있다. 각 열 모듈(13)에는, 원의 섹터들(sectors of a circle) 형태로 되어, 원통형 튜브를 형성하도록 나란하게 조립되어 있는 14개의 동일한 서브-조립체들이 포함되어 있다. 하나의 서브-조립체가 도19b에 상세하게 도시되어 있으며, 여기에는 포개진 스트립들의 형태로 된 8개의 열 요소들(43)이 포함되어 있으며, 각 열요소들 사이에는 채널들(50)이 형성되어 진다. 각 열 요소들(43)은 전체적 또는 부분적으로 자기-열 발생 재료로 제조될 수 있다.

상기 예들은 제한적인 것이 아니며, 이들의 목적은, 본 발명에 따른 무한한 범위의 자기 열 발생기들의 생성을 허용하는, 열 모듈들(10-13)의 가능한 구조들이 다양함을 보여주는 것이다.

같은 방식으로, 열전달 유체의 화학 조성은 요구되는 온도 범위에 적합하게 되고 최대 열전달을 얻도록 선택된다. 상기 유체는 액체, 기체 또는 다이페이즈(diphase)로 될 수 있다. 액체인 경우, 예컨대 플러스의 온도들에 대해서는 순수한 물을 사용하고, 마이너스의 온도들에 대해서는 글리콜화 제품 등의 동결방지제(anti-freeze)가 첨가된 물을 사용할 수 있다. 따라서, 상기 열 발생기(1)는 부식성 유체의 사용이나, 또는 인류 또는 환경에 해로운 유체의 사용도 피할 수 있도록 하게 한다.

본 발명에 따른 열 발생기(1)를 포함하는 부품들 모두는 반복적인 산업 공정들을 이용하여 대량 생산될 수 있다. 상기 열 발생기(1)의 모듈화 및 콤팩트(compact)한 설계로 인해 표준형 열 요소들(40-43) 및 열 모듈들(10-13)의 제조가 가능해지며, 이들은 주어진 응용분야에 대한 유체 유량 및 요구되는 온도 범위에 따라, 직렬, 병렬 또는 직렬/병렬 조합으로 연결되고, 결합되고, 조립될 tmn 있다. 이러한 설계는, 오늘날의 이러한 타입의 발생기에 의해 필적되지 않는 성능을 내면서, 저비용 및 소형 치수들로 산업 및 가정용 모두의 넓은 범위에 대해 응용할 수 있게 한다.

상기 열 발생기(1)의 스테이지 구조로 인해, 각 회수 회로에서의 열전달 유체의 유동이 효율적으로 여러 번 분할될 수 있다. 상기 열전달 유체의 스테이지 분배로 인해, 각 채널(50) 내의 유체의 유동이 동일한 비율로 분할될 수 있어서, 에너지 손실을 감소시킬 수 있고 전달율을 증가시킬 수 있게 된다. 채널들(50)의 다수화에 의해 열전달 면적이 증가하고, 이에 상응하여 전달율도 증가한다. 또한, 상기 열 요소들(10-13)의 설계로 인해, 자기-열 발생 재료의 량에 대한 지지부(70)의 비활성 물질의 량이 크게 감소되어, 주어진 사이즈에 대한 발생기(1)의 열 효율이 더욱 향상된다.

본 발명은 설명된 실시예들로 제한되지 아니하며, 당업자들에게 있어서는 첨부된 청구항들에서 정의된 보호 범위 내에 속하면서 어떠한 변경 또는 변화가 가능하다.

Claims (27)

1. 자기 열 발생 재료(magneto-calorific material)를 기반으로 하는 열 요소들(thermal elements)(40-43)과, 상기 열 요소들에서 자기장의 변화를 생성하여 열 요소들의 온도를 변화시키도록 배치된 자기 수단들(magnetic means)(3)과, 그들의 기능적 사이클에 따라 상기 열 요소들에 의해 방출되는 칼로리(calories) 또는 프리거리(frigories)를 회수하도록 배치된, 각각 별도의 열전달 유체가 순환하는 "핫" 회로(hot circuit) 및 "콜드" 회로(cold circuit)의 두 개 이상의 분리된 회수 회로들(at least two seperate collector circuits)과, 회수된 칼로리 및 프리거리를 활용하도록 정해진 외부 회로들(external circuits)에 상기 회수 회로들을 연결하는 수단(means of connecting)을 포함하는 자기 열 발생기(magneto-calorific thermal generator)(1)에 있어서,

   상기 발생기는 다수의 열 요소들(thermal elements)(40-43)로 구성되는 하나 이상의 열 모듈(at least one thermal module)(10-13)을 포함하며,

   상기 열 요소들은 열전달 유체(heat transfer fluid)의 순환을 위해 열 요소들 사이에 채널들(channels)이 형성되도록 스택(stack)되어 배치되며,

   상기 채널들은 핫 회수 회로(hot collector circuit)의 열전달 유체를 순환시키는 핫 채널들 및 콜드 회수 회로(cold collector circuit)의 열전달 유체를 순환시키는 콜드 채널들로 분리되며,

   상기 핫 채널들 및 콜드 채널들은 상기 열 요소들 사이에서 교호적으로 배치 되며, 상기 열 요소들(40-43)은 각각의 핫 회수 회로들 및 콜드 회수 회로들의 열전달 유체의 유동을 각각 대응하는 핫 채널들(50) 및 콜드 채널들(50)로 분배하도록 서로 소통하는 유체의 입구 오리피스들(inlet orifices)(51) 및 출구 오리피스들(outlet orifices)(52)을 가지는 것을,

   특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 순환 채널들(50)은 0.01mm 내지 10 mm, 바람직하게는 0.15 mm 내지 1.5 mm 범위의 두께를 가지는 것을,

   특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 열 요소들(40-43)은 채널들(50)을 형성하도록 홈이 있는 형상들(recessed shapes)을 가지는 것을,

   특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 열 모듈들(10-13)은 채널들(50)을 형성하도록 상기 열 요소들(40-43) 사이에 삽입되는 스페이서 판들(spacer plates)을 가지는 것을,

   특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 열 요소들(40-43)의 입구 오리피스들(51)은 열전달 유체를 관련 채널들(50)에 균일하게 분포시키도록 열전달 유체의 유동 방향으로 감소하는 단면을 가지는 것을,

   특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 열 요소들(40-43)의 출구 오리피스들(52)은 열전달 유체가 상기 열 모듈을 떠나기 전에 열전달 유체를 함께 모으도록 열전달 유체의 유동 방향으로 증가하는 단면을 가지는 것을,

   특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   가변적인 단면(variable section)을 지닌 상기 입구 오리피스들(51) 및 출구 오리피스들(52)은 상기 열 요소들(40-43)을 가로질러 배치된 인서트(insert)(72)에 배치되는 것을,

   특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
8. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 열 요소들(40-43)은 서로에 대해 오프셋(offset) 되어 있음으로써, 상기 입구 오리피스들(51) 및 출구 오리피스들(52)은 나선형 경로(helical path)로 정렬되는 것을,

   특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 열 모듈은 직선 형태(rectilinear configuration)를 가지며, 상기 열 요소들은 선형(linear)으로서 수평으로, 수직으로 또는 수평 및 수직의 조합으로 스택된 것을,

   특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 열 모듈은 원의 형태를 가지며, 상기 열 요소들(40-43)은 환형(annular)으로서 축 방향으로, 반경 방향으로 또는 축 방향 및 반경 방향의 조합으로 스택된 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 열 요소들(43)은 자기-열 발생 재료의 부품들로 형성되는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 열 요소들(40-42)은, 지지부(support)(70)에 의해 지지되는 자기-열 발생 재료의 하나 이상의 부품들(60-62)을 포함하고 있는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 지지부(70)는 자기-열 발생 재료의 상기 부품들(60-62) 둘레에 오버몰 드(overmoulded) 되는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
14. 제 12 항에 있어서,

    상기 지지부(70)는 열 절연 재료(thermally insulating material)로 제조되는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 열 절연 재료는 열 전도성 재료(thermally conducting material)의 입자들로 충전되는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
16. 제 12 항에 있어서,

    자기-열 발생 재료의 상기 부품들(60)은 기하학적 형상 또는 원의 섹터(sector) 형상의 인서트들(inserts)인 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
17. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,

    자기-열 발생 재료의 상기 부품들(60-62)은 평탄한 표면들을 가지는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
18. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,

    자기-열 발생 재료의 상기 부품들(60-62)은 그들의 면들 중 하나 이상에 양각 형상(relief feature)을 가지는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 면들 중 하나 이상은 열전달 유체에 소용돌이를 형성하도록 배열된 홈들(grooves)(63,64)을 가지는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
20. 제 1 항에 있어서,

    상기 열 요소들(40-43)은 두 개 이상의 분리된 열 섹터들(thermal sectors)로 분할되며, 각 열 섹터는 입구 오리피스(51) 및 출구 오리피스(52)에 의해 유체가 흐르는 채널(50)을 가지는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
21. 제 20 항에 있어서,

    주어진 열 요소들(40-43)의 열 섹터들(53)의 입구 오리피스들(51) 및 출구 오리피스들(52)은, 그에 대응하는 핫 회수 회로 또는 콜드 회수 회로에, 직렬, 병렬, 또는 직렬/병렬 조합으로 연결되는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
22. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

    두 개 이상의 열 모듈들(10-13)을 포함하며, 상기 열 모듈들의 핫 회수 회로들 및 콜드 회수 회로들은 분배기 디스크들(distributor discs)(20)에 의해, 직렬, 병렬, 또는 직렬/병렬 조합으로 연결되는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
23. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

    말단부 열 요소들(40-43)의 채널들(50)을 밀폐시켜주고, 기계적으로 상기 열 요소들(40-43)을 함께 지탱시켜주도록 배열된 밀봉 플랜지들(sealing flanges)(30)을 포함하며,

    상기 밀봉 플랜지들(30)은, 상기 핫 회수 회로들 및 콜드 회수 회로들을 외부 회로들에 연결하도록, 공급 오리피스들(31) 및 배출 오리피스들(32)을 가지는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
24. 제 10 항에 있어서,

    상기 열 모듈들(10-13)을 밀봉하도록 배열된 내부 슬리브(4) 및/또는 외부 슬리브(5)를 포함하는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
25. 제 10 항에 있어서,

    회전 및/또는 병진(竝進) 운동하게 구동되는 축(2)에 의해 지지되는 내부 자기 조립체들(magnetic assemblies)(3) 및 상기 자기 조립체들(3)에 의해 발생되는 자속(magnetic flux)을 폐쇄하도록 배열된 외부 아마추어(armature)(6)를 포함하는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
26. 제 10 항에 있어서,

    내부 및 외부 자기 조립체들(3)을 포함하고, 상기 자기 조립체들(3) 중 하나 이상은 회전 및/또는 병진(竝進) 운동하게 구동되는 축(2)에 의해 지지되는 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).
27. 제 1 항에 있어서,

    상기 열전달 유체는 액체, 기체 또는 다이페이즈(diphase)인 것을,

    특징으로 하는 자기 열 발생기(1).

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