KR20140097129A - 자기열 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 열 전달 유체(heat transfer fluid)(F)와 열접촉(thermal contact)하는 적어도 하나의 자기열 재료(at least one magnetocaloric material)(3)가 구비된 적어도 하나의 자기열 유닛(at least one magnetocaloric unit)(21)과, 자기열 재료(3)를 가변적인 자기장(variable magnetic field)에 놓이게끔 할 수 있는 적어도 하나의 자기 유닛(at least one magnetic unit)(41)을 포함하는 자기열 발생기(magnetocaloric heat generator)(1)에 괸한 것으로, 본 자기열 발생기(1)는, 각각의 유닛(21, 41)이 모듈식 구성(modular configuration)을 가지고 적어도 하나의 피팅 폼(at least one fitting form)(E1, E2, E3)을 포함하여, 상보적인 피팅 폼(E1, E2, E3)이 구비된 다른 유닛(41, 21)에 동일한 중앙 축선(median axis)(M)을 따라 조립될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

자기열 발생기{MAGNETOCALORIC HEAT GENERATOR}

본 발명은, 열전달 유체와 열접촉(thermal contact)하는 적어도 하나의 자기열 재료(또는 자기열량 재료)(magnetocaloric material)가 제공되어 있는 적어도 하나의 자기열 유닛(magnetocaloric unit)과, 상기 자기열 재료가 가변적인 자기장(variable magnetic field) 내에 놓이게끔 할 수 있는 적어도 하나의 자기 유닛(magnetic unit)을 포함하는 자기열 발생기에 관한 것이다.

대기온도에서의 자기냉동기술(magnetic refrigeration technology)은 20년 이상 공지되어온 기술이며, 생태학적 및 지속가능한 개발 측면에서 이것이 제공하는 장점들은 널리 알려져 있다. 또한 유용한 칼로리 생산 및 효율 측면에서의 제한도 잘 알려져 있다. 따라서 이 분야에서 이루어지는 연구는 전체적으로, 자화 능력(magnetization power), 자기열 재료들의 성능들, 열전달 유체 및 자기열 재료들 사이의 열교환 면적, 열교환기들의 성능 등과 같은 다양한 파라미터들을 조절함으로써 자기열 발생기의 성능을 향상시키려고 하는 경향이 있다.

자화 능력에 관련하여, 가능한 한 매우 강한 자기장을 발생시킬 수 있는 장치를 자기열 발생기 내에 통합시키는 것이 중요하다. 사실 자기열 재료의 자기열 효과(또는 자기열량 효과)(magnetocaloric effect)는 자기열 재료가 속하게 되는 자기장의 강도에 밀접하게 연관되어 있다. 그러므로 이러한 자기장이 강할 수록 자기열 재료의 자기열 효과가 커지고, 이에 따라 자기열 발생기의 효율이 높아진다.

이러한 자기열 발생기들, 특히 적어도 하나의 컴포넌트가 중심 축선 주위를 회전하는 자기열 발생기들에 있어서 개선될 수 있는 또 다른 측면은, 다양한 컴포넌트들 사이에서 나타나고, 핫 발생기 사이드(hot generator side)이라고 불리우는 가장 높은 고온측과 콜드 발생기 사이드(cold generator side)로 불리우는 가장 낮은 저온측 사이의 온도 구배(temperature gradient)의 저하를 가져오는 써멀 브릿지들(thermal bridges)에 관련된 것인데, 그 결과로 이 온도 구배에 밀접하게 연관되어 있는, 자기열 발생기의 성능은 감소하게 된다.

개선될 수 있는 또 다른 사항은 이러한 열 발생기에 대한 설계, 제작 및 조립에 대한 최적화에 관한 것이다.

또한 가용 에너지 효율에 대한 요구에 추가하여, 자기열 발생기는 예컨대 가전제품, 운송수단 등에 통합되는 것이 가능해지도록 사이즈 또는 체적도 작아져야 한다.

이러한 예들이 출원인이 본원 출원인과 동일한 특허공개번호 US 2010/0236258, FR 2 924 489, FR 2 937 182 및 FR 2 904 098에 특별히 기술되어 있는데, 여기서 발생기들의 다양한 컴포넌트들은 회전 구동되는 공동의 샤프트 상에 적층이 된다.

본 발명의 목적은 상술한 기대 사항들을 만족시키고, 그리고 제작비용은 절감되면서 열효율은 증가하고, 요구되는 열 산출량과 가능한 발전상에 따라 다양한 자기열 발전기 형태로 되는 것을 가능케하면서, 발전기의 조립을 용이하게 하는 모듈성(modularity)을 지닌 자기열 발생기를 제공하는 것이다.

본 발명은 청구항의 전제부에 기술된 종류의 자기열 발생기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 자기열 발생기는, 각각의 유닛이 모듈식 구성(modular configuration)을 가지고 적어도 하나의 피팅 폼(at least one fitting form)을 포함하여, 공동의 조립 샤프트 없이, 상보적인 피팅 폼을 포함하는 다른 유닛에 동일한 중앙 축선(median axis)을 따라 조립될 수 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 조립은 추가적인 파트들(parts) 없이 이루어진다.

본 발명에 따른 발생기는, 자기열 재료와 열접촉하는 열전달 유체를 위한 적어도 하나의 회로 섹션(at least a section of a circuit)과, 상기 열전달 유체를 위한 구동 시스템(driving system)을 포함하는 하이드롤릭 유닛(hydraulic unit)을 더 포함할 수 있으며, 상기 하이드롤릭 유닛은 모듈식 구성을 가지고 또한 적어도 하나의 피팅 폼을 포함하여, 상보적인 피팅 폼을 포함하는 다른 유닛에 중앙 축선을 따라 조립될 수 있다.

본 발생기는 자기열 재료와 열접촉하는 열전달 유체와, 외부 유체(external fluid)로 불리우는 다른 열전달 유체 사이에 열교환을 수행할 수 있는 적어도 하나의 교환 유닛(at least one exchange unit)을 더 포함할 수 있으며, 상기 교환 유닛은 모듈식 구성을 가지고 적어도 하나의 피팅 폼을 포함하여, 상보적인 피팅 폼을 포함하는 다른 유닛에 상기 중앙 축선을 따라 조립될 수 있다.

이런 취지에서, 상기 교환 유닛은, 제1유체회로부분은 자기열 재료와 열접촉하는 열전달 유체를 위한 것이고 제2유체회로부분은 상기 외부 유체를 위한 것인, 적어도 2개의 유체회로부분들을 포함할 수 있으며, 상기 유체회로부분들은 열접촉이 이루어질 수 있다.

상보적 피팅 폼들은 유리하게도 서로에 대해, 유닛들의 중앙 축선에 수직한 반경방향 평면 내에서 반경방향 위치잡이(radial positioning) 및 중앙 축선을 따른 축방향 위치잡이(axial positioning)를 실행하기 위해 협동할 수 있다.

또한 상기 피팅 폼들의 일부는 서로에 대해, 유닛들을 회전적 연결(rotaional connection), 즉 함께 회전하게끔 연결하는 것, 중앙 축선(M)에 수직한 반경방향 평면 내에서 반경방향 위치잡이 및 중앙 축선을 따른 축방향 위치잡이를 실행하기 위해 협동할 수 있다.

특별한 실시예에서 발생기는, 자기열 유닛(magnetocaloric unit)의 자기열 재료가 놓여지는 자기 갭(magnetic gap)을 형성하도록 서로 마주보고 장착된 2개의 자기 유닛들(magnetic units)을 포함할 수 있으며, 상기 자기 유닛들은 각기 중앙 축선 레벨에서 재료의 연속성(material continuity)을 지닌 파트를 포함하며, 상기 재료는 자기장에 이바지할 수 있는 재료이며, 상기 파트는 적어도 하나의 자기 조립체를 지니고 있을 수 있다.

이런 취지에서, 상기 자기 조립체는 적어도 하나의 영구자석 및 적어도 하나의 자극편(pole piece)을 포함할 수 있다.

이러한 방식으로 인해 유리하게도 열 발생기 조립에 필요한 파트들의 수를 줄일 수 있으며, 상기 장치들 각각은, 하나 또는 인접 장치(들)에 대해 위치를 잡을 수 있게 해주는 위치잡이 수단(positioning means)을 포함한다. 결과적으로 본 발명에 따른 발생기는 모듈식 구성을 가져서 발생기의 조립이 용이해지고, 발생기의 적응성을 증가시킬 수 있다.

첨부된 도면들을 참조로 예시적인 실시예들에 대한 다음의 설명에서, 본 발명 및 그의 장점들에 대해 잘 알 수 있을 것인데, 이는 예시적인 것으로 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따라 하나의 써멀 스테이지(thermal stage)를 지닌 자기열 발생기에 대한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따라 2개의 써멀 스테이지를 지닌 자기열 발생기에 대한 개략적인 도면이다.
도 3은 도 1의 자기열 발생기의 한 변형에 대한 개략적인 도면이다.

도시된 실시예들에서 동일한 피스 또는 부품들은 같은 참조부호로 표기되었다.

첨부된 도면들의 도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 자기열 발생기들(1, 10, 20)의 실시예들이다. 이 발생기들(1, 10, 20)은 소위 거대 자기열 효과를 지닌 재료들(materials with giant magnetocaloric effect) 또는 자기열 재료(3)들의 자기열 효과를 이용하는데, 이들은 자기장이 변함에 따라 즉각적으로 냉각되고 가열되는 능력을 지니고 있다.

이러한 발생기들(1, 10, 20) 내에서 자기열 재료(3)들은, 상기 자기열 재료들에 의해 생산되는 칼로리들(calories) 및 프리고리들(frigories)을 수집하도록 마련된 열전달 유체(F)와 열접촉하면서 가변적인 자기장의 영향을 받는다. 이런 취지로 자기열 재료(3)들에는 열전달 유체(F)가 침투될 수 있으며, 자기열 재료(3)들은 관통 유체통로들(through fluid paths)을 포함하는 하나 또는 몇 가지 타입의 자기열 재료들로 만들어진다. 이들 유체통로들은 다공성 재료의 구멍들로 형성될 수 있거나, 고형의 블록(solid block) 내에 기계가공된 미니(mini) 또는 마이크로(micro) 채널들로 형성될 수 있으며, 또는 서로 이격되거나 홈이 난 자기열 재료로 된 판들의 적층 조립으로써 형성될 수 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 발생기들(1, 10, 20)에서 자기열 재료(3)들은, 열전달 유체(F)가 통할 수 있도록 서로 이격되어 적층된 자기열 재료로 된 판들의 조립으로 이루어져 있다. 열전달 유체(F)가 상기 자기열 재료(3)들을 통과하여 흐를 수 있는 여타의 다른 실시예도 물론 적합할 수 있다.

자기열 재료(3)들 내에는 열전달 유체(F)가, 자기열 재료(3)들이 받는 자기장의 값에 따라 자기열 재료(3)들의 반대되는 단부들 중 한 쪽 또는 다른 쪽을 향해 교호적으로(alternately) 유동한다. 상기 자기장의 변화와 연관되어 열전달 유체(F)가 이동함으로써, 각 자기열 재료(3)의 핫 단부(hot end) 및 콜드 단부(cold end)라고 불리우는 2개의 반대 단부들(opposite ends) 사이에 온도구배를 촉발시키고, 유지시키는 것이 가능하다. 반대 단부들이란, 상기 자기열 재료(3)들 내에, 또는 자기열 재료(3)들을 따라 또는 관통하여 흐르는 열전달 유체(F)의 입구영역(entry area) 및 출구영역(exit area)을 의미한다.

도시된 발생기(1, 10, 20)는 몇몇의 유닛들(21, 22, 41, 42, 51, 52, 71, 72)을 포함하며, 상기 유닛들(21, 22, 41, 42, 51, 52, 71, 72)은 발생기(1, 10, 20)의 특정 기능들을 보장해주며, 상기 다양한 유닛들(21, 22, 41, 42, 51, 52, 71, 72)에 일체화된 파트들(parts)인 피팅 폼들(fitting forms)(E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E8, E9, E10, E11, E12, E13)에 의해 서로 맞춰질 수 있는 모듈들로서 제작된다.

이들 유닛들(21, 22, 41, 42, 51, 52, 71, 72)에는 좀 더 구체적으로 다음과 같은 유닛들이 포함된다.

- 자기열 재료(3)를 포함하는 자기열 유닛들(21, 22)

- 자기열 재료(3)와 열접촉하는 열전달 유체(F)를 위한 구동수단(81, 82)을 포함하고, 자기열 발생기(1, 10, 20)의 유체회로(6)의 적어도 하나의 섹션(section)을 포함하는 하이드롤릭 유닛들(51, 52)

- 상기 자기열 재료(3)로 하여금 주기적인 자기장 변화를 받도록 하게 하는 자기 유닛들(41, 42)

- 자기열 재료(3)와 열접촉하는 열전달 유체(F)와, 예컨대 냉동되거나 가열되거나 또는 템퍼링되어야 할 애플리케이션 또는 장치에 연결된 외부 유체로 불리우는 다른 열전달 유체 사이에 열교환이 이루어지게끔 하는 교환 유닛(71)

- 자기열 발생기(1, 10, 20) 내의 유체 연결을 확실히 해주고, 보다 구체적으로 자기열 재료(3) 및 하이드롤릭 유닛(52) 사이에 열전달 유체가 이동하게 하는 트랜스퍼 유닛(72)

도 1에 도시된 발생기는 단지 하나의 써멀 스테이지(thermal stage)를 포함하고 있다. 즉 중앙 축선(M) 주위에 동심적으로 배치된 자기열 재료(3)들을 포함하는 하나의 단일 자기열 유닛(21)을 포함하고 있다. 이 자기열 재료(3)들은, 자기열 유닛(21)의 양 측에 대칭적으로 배치된 2개의 동일한 자기 유닛(41)들에 의해 자기적으로 스트레스를 받는다. 이 실시예에서 각 자기 유닛(41)은 중앙 축선(M)을 중심으로 하고, 자기열 유닛(21)의 상보적인(complementary) 피팅 폼(E 1, E2)과 협동하는 피팅 폼(E3)을 포함한다. 도 1의 발생기(1)에서 자기열 유닛(21)의 피팅 폼들(E1, E2)은 메일 섹션(male section)이라고도 불리우는 돌출된 섹션들인데, 이 돌출된 섹션들은, 상응하는 형상을 지니고 자기 유닛(41)들의 피팅 폼(E3)들을 구성하는, 피메일 섹션(female section)이라고도 불리우는 리세스들(recesses) 속으로 끼워질 수 있다. 이 피팅 조립은 플레인 베어링(plain bearing) 또는 베어링들, 또는 자기열 유닛(21) 및 자기 유닛(41)들 사이에 상대적 운동이 일어나는 것을 허용하는 임의의 대등 수단, 즉 본 실시예에서 자기 유닛(41)들이 자기열 유닛(21)에 대해 중앙 축선(M)을 중심으로 회전운동하는 것을 허용하는 임의의 동등한 수단에 의해 완성될 수 있다.

이런 취지로 자기 유닛(41)들은 각각 재료의 연속성을 보여주는 파트(14)를 포함한다. 여기서 재료의 연속성이란 이 파트(14)가 샤프트(shaft) 또는 허브(hub) 상에 이 파트를 장착하기 위한 관통 개구부를 가지고 있지 않다는 것을 의미한다. 각각 영구자석(16)들 및 이 영구자석(16)들에 의해 생성된 자속(magnetic flux)를 집중시킬 수 있는 적어도 하나의 자극편(pole piece)(17)으로 만들어진 2개의 자기 조립체(15)들이 상기 파트(14)에 장착되는데, 본 실시예에서 상기 파트(14)는 철로 만들어진다. 상기 2개의 자기 유닛(41)들은, 그들의 자기 조립체(15)들이 자기 갭(magnetic gap)(13)의 경계를 정하도록 서로 대향하여 위치하며, 그 안에 자기열 유닛(21)의 자기열 재료(3)들이 위치한다. 도시된 발생기(1)에서 같은 자기 유닛(41)의 자기 조립체(15)들은 중앙 축선(M)에 대해 대칭적으로 그리고 180도 각도로 오프셋되어 장착된다. 이리하여 자기열 재료(3)들에 대해 자기 유닛(41)들이 회전하면 상기 자기열 재료(3)들 내에 자기장의 변화를 발생시키는데, 갭(13) 내에 위치하는 자기열 재료(3)들은 자기장을 받게 되고, 갭(13) 바깥에 위치하는 자기열 재료(3)들은 자기장을 받지 않게 된다. 물론 이와 동등한 다른 형태를 선정하는 것도 가능하다. 각각의 자기 유닛(41)이, 180도 각도로 오프셋된 2개의 자기 조립체(15)를 포함하는 구성은 예시적으로 도시된 것이며, 본 발명의 틀안에서 예컨대 90도 각도로 오프셋된 4개의 자기 조립체들과 같이, 다른 각도로 오프셋된 하나 또는 몇몇의 자기 조립체(15)들이 제공되는 것도 가능하다. \\\

다양한 유닛들(21, 41, 51, 71)이 종래 기술의 교시에 따라 제조된 발생기에서의 경우처럼 공동의 중심 샤프트 둘레에 장착 또는 적층되지 않음으로 인해, 특히 자기 유닛(41)들을 재료의 연속성, 따라서 자기 장치 내의 자속의 연속성을 보여주는 하나의 단일의 고형 파트(solid part)(14)로 제작할 수 있으며, 동일한 파트(14)를 축에 장착하기 위해 개구부를 포함하는 경우에 비하여, 자기 갭(13)내에 더 높은 자기장을 얻을 수 있게 된다. 이 파트(14)는 대개 강자성체 재료로 만들어진다.

자기열 재료(3)들은, 발생기(1) 내에 통합되어 있는 유체회로(6) 내를 순환하는 열전달 유체(F)와 열접촉한다. 이 유체는, 하이드롤릭 유닛(51) 내에 통합되어 있는 구동 수단(81)에 의해 순환된다. 이러한 구동 수단은 예컨대 피스톤(9)들의 스트로크(stroke)를 정해주는 프로파일(profile)을 지닌 캠(cam)(81), 또는 열전달 유체(F)의 회로(6)에 연결된 동등한 수단이 될 수 있다. 그러나 본 발명은 열전달 유체(F)를 순환시키는 여타의 다른 방법들을 배제하는 것은 아니다. 본 실시예에서 발생기(1)은 2개의 동일한 하이드롤릭 유닛(51)들을 포함하는데, 하나는 발생기(1)의 핫 사이드(hot side)에 설치되고, 다른 하나는 콜드 사이드(cold side)에 설치된다. 각 하이드롤릭 유닛(51)의 캠(81)은 중앙 축선(M)에 대해 축방향 드라이브와 반경방향의 위치를 잡아주는 피팅 폼들(E4, E5)에 의해 자기 유닛(41) 상에 장착된다. 이리하여 각 하이드롤릭 유닛(51)은 회전에 있어서 자기 유닛(41)에 고정적으로 연결된다. 즉 하이드롤릭 유닛(51) 및 자기 유닛(41)은 발생기(1)의 로터(rotor)를 형성한다. 이 로터는 구동모터에 의해 회전 구동될 수 있거나, 또는 타이밍 벨트(timing belt)와 연합된 타이밍 풀리(timing pulley), 피니온(pinion)과 연합된 체인, 기어 또는 여타의 적합한 전동장치와 같은 전동 수단(means of transmission)에 의해 피팅 폼(E6)에서 하이드롤릭 유닛(51) 중 적어도 하나에 연결된 동등의 구동 시스템에 의해 회전 구동될 수 있다.

유닛들(41, 51)의 축방향 드라이브를 허용하는 피팅 폼들(E4, E5)은 억지 끼워맞춤 및 단순 기계적 링크(simple mechanical link)를 달성하기 위해 서로 협동한다. 도 1의 발생기(1)에서, 자기 유닛(41) 및 하이드롤릭 유닛(51)의 피팅 폼들(E4, E5)은 평행육면체 형상을 가질 수 있다. 물론 본 발명이 이 평행육면체 형상에 국한되는 것은 아니고, 이들 피팅 폼들은 회전적 연결(rotary connection), 즉 함께 회전하게끔 연결되는 것을 보장해주는 여타의 다른 형상이 될 수 있다.

본 발명에 따른 자기열 발생기(1)의 목적은, 이것이 생산한 열 에너지를 히팅, 냉난방, 템퍼링 등을 위한 하나 또는 몇몇의 외부 회로들 또는 애플리케이션들과 교환 또는 회수하는 것이다. 이들 외부 애플리케이션들은 예컨대 열 발생기를 둘러싼 공기량, 열 장치(thermal device) 또는 인클로져(enclosure)가 될 수 있다. 이런 취지로 발생기(1)는 자기열 유닛(21)의 각 단부에 장착된 2개의 교환 유닛(71)들을 포함한다. 각 교환 유닛(71)은 2개의 유체회로부분들(11, 12)을 포함하는데, 하나의 회로부분(11)은 자기열 재료(3)와 열접촉하고 있는 열 전달 유체(F)를 받아들이고자 하는 것이고, 다른 회로부분(12)은, 외부 회로 또는 애플리케이션과 열적으로 연결된 외부 유체(external fluid)로 불리우는 다른 열전달 유체를 받아들이고자 하는 것이다. 상기 2개의 회로부분들(11 및 12)은 자기열 재료(3)들의 자기열 효과에 의해 생산된 열 에너지를 인수하기 위해 교환 유닛(71) 내에서 열접촉을 이루고 있다. 도 1의 예에서 교환 유닛(71)들은 자기열 유닛(21)의 상응하는 형상을 지니고 리세스들(E7, E8) 내에 수용된 링(ring)으로 되어 있다. 링 형상의 교환 유닛(71)들은 본 발명에 따라 상호보완적인 피팅 폼(E9)들을 형성한다.

이리하여 발생기는 쉽게 조립될 수 있는 모듈식 유닛들(21, 41, 51, 71)로 만들어지며, 특히 도 2에 도시된 바와 같이 같은 유닛들을 가지고 다양한 출력들을 지닌 여타의 열 발생기들을 제작할 수 있게 된다. 이러한 모듈성은, 본 발명에 따른 발생기를 보다 쉽게 조립할 수 있으며, 발생기의 컴포넌트들의 수를 경감시키는 장점을 지녀서, 부품들을 찾는 것이 용이해지고, 신뢰성이 높아지고, 저장 공간이 줄어들고 따라서 본 발명에 따른 열 발생기(1)의 원가를 절감시킬 수 있다.

또한 모듈성으로 인해 2개의 유닛들(21, 41, 51, 71)의 위치가 열 발생기 내 어디에 있든지 간에 2개의 유닛들(21, 41, 51, 71)을 분리시키는 것이 용이하므로, 유지보수 및 모든 기술의 개입이 단순화될 수 있다. 이에 비해, 종래 기술에 따른 발생기 경우에는, 보수가 필요한 엘리먼트 앞에 위치한 모든 기능적 엘리먼트들을 공동의 샤프트로부터 분리하는 것이 필요하다.

게다가 이 다양한 유닛들은 공동 샤프트 또는 허브를 필요로 하지 않으면서, 피팅 폼들의 협동에 의해 서로 맞춰지는 상보적인 피팅 폼들(complementary fitting forms)(E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E8, E9)에 의해 자동지지 방식(self-supported way)으로 함께 조립된다. 이 피팅 조립체의 한 파트는 프레임, 예컨대 지지체에 고정될 수 있으며, 또는 상기 발생기의 고정 유닛의 고정 연결되는 것을 달성하기 위해 다른 여타의 동등한 고정 수단에 고정될 수 있다.

본 발명에 따른 발생기(1)는, 다양한 기능적 엘리먼트들이 장착되는 중앙 샤프트(central shaft)를 포함하지 않으며, 회전운동을 전달하는 지지 샤프트(supporting shaft)는 각 모듈식 유닛(21, 41, 51, 71)의 구조적 섹션(structural section)으로 대체된다. 이로써 본 발명에 따른 발생기(1)의 구조 및 조립이 단순해지고, 그의 중량을 감소시키는 것이 가능해진다. 또한 종래 기술의 발생기에서는 중심 샤프트를 사용함에 따라, 다양한 기능적 엘리먼트들 사이에 스페이서들(spacers)을 장착하는 것이 필요한데, 이로 인해 종래 기술에 따른 발생기를 구성하는 파트들의 수가 증가하고, 저장 공간에 대한 요구사항들이 커지고, 조립에 필요한 작업이 늘어나서 결과적으로 원가가 높아진다.

또한 종래 기술에 따른 열 발생기에서는 공동의 샤프트가 통합되어 있음으로 인한 또 하나의 단점은, 샤프트는 주어진 길이를 갖게 되고, 따라서 특정의 발생기에만 사용될 수 있다는 점이다. 즉 하나의 써멀 스테이지를 가진 발생기용 샤프트는 너무 짧아서 2개의 써멀 스테이지들을 포함하는 발생기에는 통합될 수 없으며, 또는 발생기에 있어서 더 이상의 진전이 이루어질 수 없다. 다시 한번 말해서, 이러한 단점은 저장 공간 및 부품 찾는 작업에 영향을 끼쳐서, 전체적 비용에 영향을 미치게 된다. 이와는 반대로 본 발명에 따른 발생기에서 다양한 유닛들(21, 41, 51, 71)은 필요에 따라 서로 끼워지게 되므로 본 발명에 따른 발생기는 완전한 모듈식이다. 이로써 제작, 관리, 저장, 운송 및 조립되기 위한 파트들의 수가 절감될 수 있으며, 이에 따라 상기 발생기의 전체적 원가가 절감될 수 있다.

특히 여러 개의 자기열 재료들 스테이지들을 포함하는 자기열 발생기에서, 공동 샤프트가 없음으로 인한 또 하나의 장점은 이 샤프트의 존재로 인한 써멀 브릿지들(thermal bridges)이 억제되며, 따라서 자기열 발생기의 효율이 증가하는 것이다. 종래 기술에 따른 공지의 발생기들에서는 샤프트가 발생기의 컴포넌트들과 열적 및 물리적으로 접촉하여 그들 사이에 써멀 브릿지가 생성된다. 예를 들면, 발생기의 콜드 사이드를 포함하는 제1스테이지 및 발생기의 핫 사이드를 포함하는 제2스테이지, 2개의 스테이지를 포함하는 발생기에 있어서, 양 스테이지들이 장착된 공동 샤프트는 이들 두 스테이지들 사이에서 열 에너지의 전달 또는 교환 기능을 수행하여 핫 및 콜드 단부 사이의 온도 구배에 영향을 주고, 따라서 발생기의 열 출력을 감소시키게 된다. 본 발명에 따른 발생기(1)에서는 이러한 공동 샤프트가 없기 때문에 이러한 써멀 브릿지를 없앨 수 있으며 발생기의 효율을 증대시킬 수 있다. 이런 목적을 위해, 유닛들(21, 22, 41, 42, 51, 52, 71, 72) 중 일부 또는 전부가 하나 이상의 열적으로 비전도성인 물질로 만드는 것이 유리하다.

도 2에는 본 발명에 따라 2개의 써멀 스테이지들을 가진 발생기(10)가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 발생기(10)는 대체적으로, 도 1에 도시되었던 1-스테이지 발생기(1)의 조립을 위해 사용된 것과 같은 유닛들로 만들어진다. 유일하게 새로운 유닛들 또는 가능한 상이한 유닛들은, 캠(82)이 제공되고 2개의 써멀 유닛들(21) 사이에 장착된 새로운 중앙 하이드롤릭 유닛(52)과, 각기 교환 유닛(71)을 대체하면서 2개의 자기열 유닛(21)들 및 중앙 하이드롤릭 유닛(52) 사이에서 열전달 유체(F)의 순환을 보장해주는 2개의 신규 유체 트랜스퍼 유닛(fluid transfer unit)(72)들이다. 종래 기술에 따른 2-써멀 스테이지를 가진 발생기와 비교해보면, 종래의 경우에는 구성형태에 따라 길이가 조정된 새로운 공동 샤프트와, 추가적 컴포넌트들 사이에 장착되는 새로운 스페이서들(spacers)이 추가적으로 통합되어야 할 것이다. 또한 종래 기술에 따른 이러한 발생기 내부에 개입을 하기 위해선 발생기를 완전히 분해해야 할 것이다.

중앙 하이드롤릭 유닛(52)에 대해 살펴보면, 중앙 하이드롤릭 유닛(52)은 2개의 자기열 유닛(21)들과 연결되므로, 대체적으로 중앙 하이드롤릭 유닛(52)이 포함하고 있는 유체 분배(hydraulic distribution)에 의해, 발생기(10)의 단부들에 배치된 하이드롤릭 유닛(51)과 구별된다. 피팅 폼들(E10 및 E11)은 본 발명에 따른 발생기(2)의 모듈성을 보장하기 위해 제각기 피팅 폼들(E5 및 E6)과 동일하다.

이 열 발생기(10)는 도 1에 도시된 발생기(1)에 관련하여 기술한 장점들과 동일한 장점들을 지닌다.

이리하여 본 발명은 모듈식으로 설계된 열 발생기(1, 10)을 제공하는데, 이는 제한된 수의 컴포너트들로써 용이한 조립을 가능케 하고, 요구되는 열 출력들에 따라 다수의 가능한 발생기 구성들을 가능케 한다.

도 3에는 본 발명에 따른 발생기(1)의 변형 실시예가 도시되어 있는데, 이 발생기는 도 1의 발생기(1)에 대해 기술한 바와 같은 동일한 장점들을 가지고 있다. 도 3의 발생기(20)에서, 자기 유닛들(41, 42)은 자기 갭(13)을 형성하도록 서로 마주보며 장착되고, 서로 협동하는 상보적인 피팅 폼들(E3, E12)을 포함한다. 자기 유닛들 중 하나(42)는, 다른 자기 유닛(41)의 리세스와 같은 대응 피팅 폼(E3) 내에 끼워지도록 의도된 돌출 섹션(protruding section)(E12)을 포함하여 억지 끼워맞춤을 이룬다. 이 다른 자기 유닛(41)은 유리하게도 도 1 및 도 2에 도시된 발생기들(1 및 10)에서 사용된 동일 파트와 일치한다. 상기 돌출 섹션(E12)은 바라직하게, 상기 2개의 자기 유닛들(41, 42)이 함께 회전할 수 있게 연결하는 형상을 가진다. 이런 가능한 형태의 예로서 사각형태 또는 타원형태가 있다. 그렇지만 이 돌출섹션(E12)을 원형으로 만들면서 상기 2개의 자기 유닛들(41, 42) 사이에 예컨대 핀(pin), 나사산이 있는 로드(threaded rod), 키(key), 톱니(serration)와 같은 각위치잡이 수단(angular positioning means)을 통합하는 것도 생각할 수 있다.

이 변형 실시예에서 자기 유닛(22)은, 중앙 축선(M)을 중심으로 하고 피팅 폼(E13)을 형성하는 보어(bore)의 경계를 이루는 링으로 만들어지고, 대응하는 자기 유닛(41)의 돌출섹션(E12) 상에 피벗팅 링크(pivoting link)에 의해 장착된다. 이 피벗팅 링크는 예컨대 베어링들로 달성될 수 있다. 물론 플레인 베어링(plain bearing)과 같은, 다른 장치에 대한 한 장치의 회전을 가이딩(guiding)해줄 수 있는 여타의 동등한 수단이 사용될 수도 있다.

기능적 발생기 유닛들(21, 22, 41, 42, 51, 52, 71, 72)을, 상기 유닛들을 관통해서 통과하는 공동 샤프트 또는 허브 없이, 상기 유닛들에 일체화 된 피팅 폼들(E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E8, E9, E10, E11, E12, E13)에 의해 서로 조립될 수 있는 모듈로서 제작함으로써, 자기열 발생기(1, 10, 20)에 대한 최적화 설계가 가능해지고, 제작 비용을 절감할 수 있고, 열 효율을 증가시킬 수 있으며, 요구되는 출력에 따라 다양한 자기열 발생기의 구성들이 가능해진다. 이리하여 이들 유닛들은, 샤프트 또는 허브와 같은 관통수단 상에 이들 유닛들을 장착 및 고정시킬 필요 없이, 이들 유닛들이 포함하고 잇는 피팅 폼들에 의해 서로 함께 장착될 수 있다.

산업상 이용 가능성

상술한 기술 내용으로부터, 본 발명은 앞에서 언급한 목표를 달성할 수 있음을 명확히 알 수 있을 것이다. 다시 말해서 자기열 발생기의 컴포넌트들을 모듈식 구성으로 함으로써 자기열 발생기의 제작 작업 및 비용을 경감시킬 수 있을 뿐만 아니라 자기열 발생기의 효율을 최적화 할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예들에 국한되지 않고, 청구항들에 의해 규정되는 보호 범위 안에서 당업자에게 자명한 수정 및 변형이 이루어질 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다.

Claims (8)

1. 열 전달 유체(heat transfer fluid)(F)와 열접촉(thermal contact)하는 적어도 하나의 자기열 재료(at least one magnetocaloric material)(3)가 구비된 적어도 하나의 자기열 유닛(at least one magnetocaloric unit)(21, 22)과, 상기 자기열 재료(3)를 가변적인 자기장(variable magnetic field)에 놓이게끔 할 수 있는 적어도 하나의 자기 유닛(at least one magnetic unit)(41, 42)을 포함하는 자기열 발생기(magnetocaloric heat generator)(1, 10, 20)에 있어서,
   각각의 유닛(21, 22, 41, 42)은 모듈식 구성(modular configuration)을 가지고 적어도 하나의 피팅 폼(at least one fitting form)(E1, E2, E3, E12, E13)을 포함하여, 공동의 조립 샤프트(common assembly shaft) 없이, 상보적인 피팅 폼(complementary fiting form)(E1, E2, E3, E12, E13)을 포함하는 다른 유닛(41, 42, 21, 22)에 동일한 중앙 축선(median axis)(M)을 따라 조립될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기열 발생기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 자기열 재료(3)와 열접촉하는 열전달 유체(F)를 위한 적어도 하나의 회로 섹션(at least a section of a circuit)(6)과, 상기 열전달 유체(F)를 위한 구동 시스템(driving system)(81, 82)을 포함하는 하이드롤릭 유닛(hydraulic unit)(51, 52)을 더 포함하며, 상기 하이드롤릭 유닛(51, 52)은 모듈식 구성을 가지고 또한 적어도 하나의 피팅 폼(E5, E6, E10, E11)을 포함하여, 상보적인 피팅 폼(E4)이 구비된 다른 유닛(21, 22, 41, 42)에 상기 중앙 축선(M)을 따라 조립될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기열 발생기.
   
3. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자기열 재료(3)와 열접촉하는 열전달 유체(F)와, 외부 유체(external fluid)로 불리우는 다른 열전달 유체 사이에 열교환을 수행할 수 있는 적어도 하나의 교환 유닛(at least one exchange unit)(71)을 더 포함하며, 상기 교환 유닛(71)은 모듈식 구성을 가지고 적어도 하나의 피팅 폼(E9)을 포함하여, 상보적인 피팅 폼(E7, E8)이 구비된 다른 유닛(21, 22)에 상기 중앙 축선(M)을 따라 조립될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기열 발생기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 교환 유닛(71)은 적어도 2개의 유체회로부분들(11, 12)을 포함하며, 제1유체회로부분(11)은 상기 자기열 재료(3)와 열접촉하는 열전달 유체(F)를 위한 것이고, 제2유체회로부분(12)은 상기 외부 유체를 위한 것이며, 상기 유체회로부분들(11, 12)은 열접촉하는 것을 특징으로 하는 자기열 발생기.
   
5. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 상보적 피팅 폼들(E1, E3; E2, E3; E4, E5; E4, E10; E4, E11; E7, E9; E8, E9; E12, E3)은 서로에 대해, 상기 유닛들(21, 22, 41, 42, 51, 52, 71)의 중앙 축선(M)에 수직한 반경방향 평면(radial plane) 내에서 반경방향 위치잡이(radial positioning) 및 중앙 축선(M)을 따른 축방향 위치잡이(axial positioning)를 실행하기 위해 협동하는 것을 특징으로 하는 자기열 발생기.
   
6. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 피팅 폼들(E5, E4; E10, E4; E11, E4; E12, E3)은 서로에 대해, 상기 유닛들(41, 51; 41, 52; 42, 51)의 회전적 연결(rotaional connection), 중앙 축선(M)에 수직한 반경방향 평면 내에서 반경방향 위치잡이 및 중앙 축선(M)을 따른 축방향 위치잡이를 실행하기 위해 협동하는 것을 특징으로 하는 자기열 발생기.
   
7. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자기열 유닛(21, 22)의 자기열 재료(3)가 놓여지는 자기 갭(magnetic gap)(13)을 형성하도록 서로 마주보고 장착된 2개의 자기 유닛들(magnetic units)(41, 42)을 포함하며, 상기 자기 유닛들(41, 42)은 각기 중앙 축선(M) 레벨에서 재료의 연속성(material continuity)을 지닌 파트(14)를 포함하며, 상기 재료는 자기장에 이바지할 수 있는 재료이며, 상기 파트(14)는 적어도 하나의 자기 조립체(at least one magnetic assembly)(15)를 지니고 있는 것을 특징으로 하는 자기열 발생기.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 자기 조립체(15)는 적어도 하나의 영구자석(16) 및 적어도 하나의 자극편(pole piece)(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기열 발생기.
   

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