KR20150096743A

KR20150096743A - 연속 펌프를 갖는 자기 열량 장치

Info

Publication number: KR20150096743A
Application number: KR1020157019140A
Authority: KR
Inventors: 마이클 알렉산더 베네딕트
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2015-08-25
Also published as: MX2015007963A; CA2893874A1; CN104870911A; EP2936007A1; US20140165594A1; CN104870911B; WO2014099199A1

Abstract

본 발명은 연속 회전형 냉각기(102) 내에 배치된 자기 열량 재료를 갖는 히트 펌프 시스템을 제공한다. 자기 열량 재료는 냉각 장치가 회전됨에 따라 재료의 일부가 자기장 내외로 연속적인 방식으로 순환되도록 스테이징 처리된다. 자기 열량 재료 내외로 주기적 방식으로 열 전달을 행하도록 열 전달 유체가 적어도 2개의 경로(44/48, 50/46)를 따라 자기 열량 재료를 통해 순환된다. 자기 열량 재료는 자기장에 반응하는 상이한 온도 범위를 갖는 영역을 포함한다. 자기 열량 재료에 기초한 히트 펌프 시스템을 사용하는 기기도 제공된다.

Description

연속 펌프를 갖는 자기 열량 장치{MAGNETO CALORIC DEVICE WITH CONTINUOUS PUMP}

본 발명의 주제는 개괄적으로 순환하는 열전달 유체와 열교환하기 위해 자기 열량 재료를 사용하는 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

종래의 냉장 기술은 통상적으로 소망하는 온도 변화를 달성하기 위해, 즉 하나의 위치로부터 다른 위치로 열 에너지를 전달하기 위해, 주기적 방식으로 열을 수용 및 방출하도록 유체 냉매의 압축 및 팽창에 의존하는 히트 펌프를 사용한다. 이러한 주기는 예컨대, 냉장실로부터 열을 수용하고 해당 열을 냉장실 외부의 환경 또는 위치로 방출하는데 이용될 수 있다. 다른 적용례는 주택 또는 상업용 구조물의 공기 조화를 포함한다. 이러한 시스템 내의 히트 펌프에 사용될 수 있는 다양한 상이한 유체 냉매가 개발되어 왔다.

유체 냉매의 압축에 의존하는 이러한 히트 펌프 시스템에 개량이 이루어져 왔지만, 이것은 여전히 기껏해야 이론적인 카르노 사이클의 최대 효율의 약 45% 이하로만 작동될 수 있다. 또한, 환경적인 관심에 기인하여 일부 유체 냉매는 생산이 중단되었다. 소정의 냉매계 시스템이 동작할 수 있는 대기 온도의 범위는 소정의 위치에서는 비현실적일 수 있다. 유체 냉매를 사용하는 히트 펌프에 대한 다른 과제도 존재한다.

자기 열량 재료(MCM)-즉, 자기 열량 효과(magneto caloric effect)를 나타내는 재료-는 히트 펌프에 사용되는 유체 냉매에 대해 잠재적인 대체물을 제공한다. 일반적으로, MCM의 자기 모멘트는 점증하는 외부 인가된 자기장 하에서 더욱 더 정돈된 상태가 될 것이므로 MCM의 발열을 유도한다. 반대로, 점감하는 외부 인가된 자기장은 MCM의 자기 모멘트가 더욱 무질서하게 되도록 할 것이므로 MCM의 흡열을 허용할 것이다. 일부 MCM은 반대 거동, 즉 자기장이 제거될 때 발열을 행하는 거동을 나타낸다(파라(para)-자기 열량 재료로서 지칭되기도 하지만, 여기서는 양자의 종류의 재료를 집합적으로 자기 열량 재료 또는 MCM으로 지칭함). MCM에 기초한 냉각 사이클의 이론적인 카르노 사이클 효율은 유체 냉매에 기초한 비슷한 냉각 시사이클보다 상당히 높을 수 있다. 이로써, MCM을 효과적으로 사용할 수 있는 히트 펌프 시스템이 유용할 것이다.

그러나, 실현 가능하고 비용 경쟁적인 MCM의 사용에 대한 과제가 존재한다. 적절한 MCM의 개발 이외에도 MCM을 잘 활용할 수 있는 장비도 여전히 필요하다. 장비가 비효율적일 수 있는 시작 및 정지 방식으로 동작하지 않도록 바람직하게는 연속적인 방식으로 MCM 내외로의 열 전달을 위한 수단이 제공되어야 한다. 현재 제안된 장비는 상대적으로 크고 고가의 자석을 필요로 할 수 있고, 예컨대 냉장 기기에 사용되기에 부적합할 수 있고, 자본 비용을 정당화할 정도의 효율로는 동작하지 않을 수 있다.

추가로, 전술한 바와 같이, 히트 펌프에 요구될 수 있는 대기 조건은 상당히 변할 수 있다. 예를 들면, 수납실에 배치되거나 공조기가 없는 공간에 위치된 냉장 기기의 경우, 대기 온도는 빙점 미만으로부터 90 ℉를 초과하는 범위를 가질 수 있다. 일부 MCM은 이러한 대기 조건에 의해 제공된 것보다 훨씬 더 좁은 온도 범위 내의 열만을 용인하여 발열을 행할 수 있다.

따라서, 상기 확인된 것과 같은 소정의 과제를 다룰 수 있는 그러한 히트 펌프 시스템도 역시 유용할 것이다.

본 발명은 연속 회전형 냉각기 내에 배치된 자기 열량 재료를 갖는 히트 펌프 시스템을 제공한다. 자기 열량 재료는 냉각 장치가 회전됨에 따라 재료의 일부가 자기장 내외로 연속적인 방식으로 순환되도록 스테이징 처리된다. 자기 열량 재료 내외로 주기적 방식으로 열 전달을 행하도록 열 전달 유체가 적어도 2개의 경로를 따라 자기 열량 재료를 통해 순환된다. 자기 열량 재료는 자기장에 반응하는 상이한 온도 범위를 갖는 영역을 포함한다. 자기 열량 재료에 기초한 히트 펌프 시스템을 사용하는 기기도 제공된다. 히트 펌프는 가열, 냉각 또는 양자 모두를 위한 다른 용도에도 사용될 수 있다. 본 발명의 추가적인 측면과 장점은 다음의 설명에 부분적으로 언급되거나 다음의 설명으로부터 분명하거나 본 발명의 실행을 통해 알 수 있다.

하나의 예시적인 실시예에서, 본 발명은 원주 방향을 형성하고 축 방향을 중심으로 회전 가능한 재생기 하우징을 포함하고, 상기 축 방향은 상기 재생기 하우징의 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는, 히트 펌프 시스템을 제공한다. 상기 재생기 하우징은 한 쌍의 개구 사이에서 축 방향을 따라 종방향으로 각기 연장되는 복수의 챔버를 포함한다. 상기 복수의 챔버는 원주 방향을 따라 서로에 대해 근접 배열된다. 상기 복수의 챔버 중 하나의 챔버 내에 위치되고 상기 축 방향을 따라 연장되는 자기 열량 재료를 각각 포함하는 복수의 스테이지가 제공된다.

본 예시적인 실시예는 상기 재생기 하우징의 상기 제1 단부에 부착된 제1 밸브와 상기 재생기 하우징의 상기 제2 단부에 부착된 제2 밸브를 포함하는 한 쌍의 밸브를 더 포함한다. 상기 제1 밸브와 제2 밸브 각각은 원주 방향을 따라 서로 이격된 복수의 구멍을 포함하고, 상기 복수의 구멍 각각은 상기 복수의 챔버 중 하나의 상기 개구 쌍 중 하나의 개구에 인접하게 위치된다. 상기 재생기 하우징에 인접하게 자성 요소가 위치되고 상기 축 방향을 따라 연장된다. 상기 자성 요소는 자기장을 생성하고, 상기 재생기 하우징이 상기 축 방향을 중심으로 회전될 때 상기 복수의 스테이지 중 일부가 상기 자기장 내외로 이동되도록 위치된다.

본 예시적인 실시예는 상기 재생기 하우징과 상기 밸브 쌍이 해당 밀봉부 쌍에 대해 상대 회전 가능하도록 상기 제1 밸브에 인접하게 위치된 제1 밀봉부와 상기 제2 밸브에 인접하게 위치된 제2 밀봉부를 포함하는 한 쌍의 밀봉부를 더 포함한다. 상기 제1 및 제2 밀봉부는 각각 한 쌍의 포트를 포함하고, 해당 포트는 서로에 대해 마주하는 방식으로 위치됨과 함께, 상기 재생기 하우징이 상기 축 방향을 중심으로 회전시 각각의 포트가 상기 복수의 챔버에 있는 상기 개구 쌍 중 적어도 하나의 개구와 선택적으로 정렬 가능하도록 위치된다.

또 다른 예시적인 실시예에서, 본 발명은 냉장 기기를 제공하는데, 해당 냉장 기기는: 식품 물품의 보관을 위한 격실과; 상기 격실로부터 열을 제거하기 위한 제1 열교환기와; 상기 제1 열교환기에 의해 제거된 열을 상기 격실 외부의 위치로 전달하기 위한 제2 열교환기와; 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기 사이에서 열 전달 유체를 순환시키는 펌프와; 상기 펌프와 유체 연통된 히트 펌프를 포함한다. 또한, 상기 히트 펌프는 제1 유입 포트와 제1 유출 포트를 통해 상기 제1 열교환기와 유체 연통되며, 제2 유입 포트와 제2 유출 포트에 의해 상기 제2 열교환기와 유체 연통된다.

본 예시적인 실시예의 경우, 상기 히트 펌프는 원주 방향을 형성하고 축 방향을 중심으로 회전 가능한 재생기 하우징을 더 포함하고, 상기 축 방향은 상기 재생기 하우징의 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장된다. 상기 재생기 하우징은 한 쌍의 개구 사이에서 축 방향을 따라 종방향으로 각기 연장되는 복수의 챔버를 포함한다. 상기 복수의 챔버는 원주 방향을 따라 서로에 대해 근접 배열된다.

상기 복수의 챔버 중 하나의 챔버 내에 위치되고 상기 축 방향을 따라 연장되는 자기 열량 재료를 각각 포함하는 복수의 스테이지가 제공된다. 상기 재생기 하우징의 상기 제1 단부에 부착된 제1 밸브와 상기 재생기 하우징의 상기 제2 단부에 부착된 제2 밸브를 포함하는 한 쌍의 밸브를 포함한다. 상기 제1 밸브와 제2 밸브 각각은 원주 방향을 따라 서로 이격된 복수의 구멍을 포함하고, 상기 구멍 각각은 상기 복수의 챔버 중 하나의 상기 개구 쌍 중 하나의 개구에 인접하게 위치된다. 상기 재생기 하우징에 인접하게 자성 요소가 위치되고 상기 축 방향을 따라 연장된다. 상기 자성 요소는 자기장을 생성한다. 상기 자성 요소는 상기 재생기 하우징이 상기 축 방향을 중심으로 회전될 때 상기 복수의 스테이지 중 일부가 상기 자기장 내에서 이동되도록 위치된다.

상기 재생기 하우징과 상기 밸브 쌍이 해당 밀봉부 쌍에 대해 상대 회전 가능하도록 상기 제1 밸브에 인접하게 위치된 제1 밀봉부와 상기 제2 밸브에 인접하게 위치된 제2 밀봉부를 포함하는 한 쌍의 밀봉부를 포함한다. 상기 제1 밀봉부는 제1 유입 포트와 제1 유출 포트를 포함한다. 상기 제2 밀봉부는 제2 유입 포트와 제2 유출 포트를 포함한다. 상기 제1 유입 포트와 제1 유출 포트는 상기 제1 밀봉부 둘레에 마주하는 방식으로 위치되고, 상기 제2 유입 포트와 제2 유출 포트는 상기 제2 밀봉부 둘레에 마주하는 방식으로 위치된다. 상기 제1 유입 포트와 상기 제2 유출 포트는 상기 제1 열교환기로부터의 열 전달 유체가 적어도 하나의 챔버 내에 위치된 자기 열량 재료의 스테이지로부터 열을 수용할 수 있도록 상기 재생기 하우징이 상기 축 방향을 중심으로 회전될 때마다 상기 적어도 하나의 챔버 내의 개구 쌍과 유체 연통되게 위치된다. 상기 제2 유입 포트와 상기 제1 유출 포트는 상기 제2 열교환기로부터의 열 전달 유체가 적어도 하나의 다른 챔버 내에 위치된 자기 열량 재료로 열을 전달할 수 있도록 상기 재생기 하우징이 상기 축 방향을 중심으로 회전될 때마다 상기 적어도 하나의 다른 챔버 내의 개구 쌍과 유체 연통되게 위치된다.

본 발명의 이들 및 다른 특징, 측면 및 장점들은 다음의 설명 및 첨부된 특허청구범위를 참조로 더 잘 이해될 것이다. 본 명세서에 포함되어 일부를 이루는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 예시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는데 사용된다.

본 발명의 최적의 모드를 포함하고 당업자 중 하나를 겨냥하는 본 발명의 전적인 실행 가능한 개시가 첨부 도면을 참조로 하는 본 명세서에 언급된다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 냉장 기기의 예시적인 실시예를 제공한다.
도 2는 기계부와 냉동부를 갖는 예시적인 냉장고 내에 위치된 본 발명의 예시적인 히트 펌프 시스템의 개략적인 예이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 히트 펌프의 사시도이다.
도 4는 도 3의 예시적인 히트 펌프의 확대도이다.
도 5는 도 3의 예시적인 히트 펌프의 단면도이다.
도 6은 도 3의 예시적인 히트 펌프의 사시도로서, 재생기 하우징의 단부에 위치된 밀봉부는 아래 언급되는 본 발명의 예시적인 실시예를 더 설명할 목적으로 제거된 상태의 도면이다.
도 7은 도 3의 히트 펌프의 스테이지에 사용되는 여러 단계를 개략적으로 나타낸다.

도면에 하나 이상의 예가 예시된 본 발명의 실시예들을 상세히 참조한다. 각각의 예는 본 발명을 한정하는 것이 아니라 본 발명의 설명을 위해 제공된다. 실제로, 본 발명의 범위 또는 취지를 벗어나지 않고 본 발명에 다양한 변형 및 변경이 행해질 수 있음은 당업자에게 분명할 것이다. 예를 들면, 일 실시예의 일부로 예시되거나 설명된 특징들은 또 다른 실시예를 얻기 위해 다른 실시예에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 이러한 변형 및 변경을 첨부된 청구범위와 그 등가물의 범위 내에 속하는 것으로 포괄하도록 의도된 것이다.

도 1을 참조하면, 예시적인 실시예의 냉장 기기(10)가 다수의 내부 저장실 또는 냉동실을 형성하는 캐비넷 또는 케이싱(12)을 갖는 기립형 냉장고로서 표현되어 있다. 구체적으로, 냉장 기기(10)는 도어(16)를 갖는 상부 신선 식품실(14)과 상부 서랍(20)과 하부 서랍(22)을 갖는 하부 냉장실(18)을 포함한다. 서랍(20, 22)은 적절한 슬라이드 기구 상에서 냉동실(18) 내외로 손으로 이동될 수 있다는 점에서 "인출형(pull-out)" 서랍이다. 냉장고(10)는 오직 예로써 제공된다. 도 1에 도시된 것과 달리 냉동실만을 또는 냉장실만을 포함하거나 이들의 조합인 기기를 포함하는 냉장 기기에 대한 다른 구성도 사용될 수 있다. 추가로, 본 발명의 히트 펌프 및 히트 펌프 시스템은 상기 기기에 한정되지 않고, 예컨대, 공조 전자 냉각 장치 등과 같은 다른 기기에 사용될 수 있다. 따라서, 냉장고 내에 냉각을 제공하는 히트 펌프의 사용이 여기에 예로써 제공되지만, 본 발명은 기기의 가열도 제공할 수 있다.

도 2는 냉장실(30)과 기계실(40)을 포함하는 냉장 기기(10)의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 구체적으로, 기계실(40)은 냉장실로부터 열을 제거하기 위해 냉장실(30)에 배치된 제1 열교환기(32)를 갖는 히트 펌프 시스템(52)을 포함한다. 제1 열교환기(32) 내를 흐르는 수용액과 같은 열 전달 유체는 냉장실(30)로부터 열을 수용함으로써 그 내용물을 냉각시킨다. 냉장실(30)로부터의 열 전달 속도를 향상시키도록 제1 열교환기(32)를 가로질러 공기를 유동시키기 위해 팬(38)을 사용할 수 있다.

열 전달 유체는 라인(44)에 의해 제1 열교환기(32)로부터 히트 펌프(100)로 유동한다. 여기서 더 설명되는 바와 같이, 열 전달 유체는 히트 펌프(100) 내의 자기 열량 재료(MCM)로부터 추가의 열을 수용하고 이 열을 라인(48)에 의해 펌프(42)로 그리고 다시 제2 열교환기(34)로 전달한다. 열은 제2 열교환기(34)를 사용하여 주변 환경, 기계실(40) 및/또는 냉장실(30) 외부의 다른 위치로 방출된다. 제2 열교환기(34)를 가로질러 공기류를 형성함으로써 주변 환경으로의 열 전달 속도를 향상시키도록 팬(36)을 사용할 수 있다. 라인(48) 내로 연결된 펌프(42)는 열 전달 유체가 히트 펌프 시스템(52) 내에서 순환되도록 한다. 더 설명되는 바와 같이 히트 펌프(100)와 기계적으로 연결되도록 모터(28)가 제공된다.

열 전달 유체는 제2 열교환기(34)로부터 라인(50)에 의해 히트 펌프(100)로 복귀되고, 아래에 더 설명되는 바와 같이, 열을 히트 펌프(100) 내의 MCM에 뺏긴다. 이제 더 냉각된 열 전달 유체는 라인(46)에 의해 제1 열교환기(32)로 유동됨으로써 냉장실(30)로부터 열을 수용하고 방금 설명한 바와 같이 그 사이클을 반복한다.

히트 펌프 시스템(52)은 오직 예로써 제공된다. 히트 펌프 시스템(52)의 다른 구성도 사용될 수 있다. 예를 들면, 라인(44, 46, 48, 50)은 히트 펌프 시스템(52)의 다양한 요소들 사이에 유체 연통을 제공하지만, 다른 라인 및 연결에 의한 다른 열 전달 유체 순환 루프도 채용될 수 있다. 예를 들면, 펌프(42)는 시스템 내 다른 위치에 또는 다른 라인 상에 위치될 수 있다. 히트 펌프 시스템(52)의 또 다른 구성도 사용될 수 있다.

도 3, 4, 5, 6은 본 발명의 예시적인 히트 펌프(100)의 여러 도면을 나타낸다. 히트 펌프(100)는 제1 단부(118)와 제2 단부(120) 사이에서 축 방향을 따라 종방향으로 연장되는 재생기 하우징(102)을 포함한다. 축 방향은 재생기 하우징(102)의 회전 중심인 A-A 축에 의해 정의된다. 반경 방향(R)은 회전축(A-A)(도 5)으로부터 수직으로 연장되는 반경에 의해 정의된다. 원주 방향을 화살표(C)에 의해 지시된다.

재생기 하우징(102)은 A-A 축에 의해 정의된 축 방향을 따라 종방향으로 연장되는 복수의 챔버(104)를 형성한다. 챔버(104)는 원주 방향(C)을 따라 서로 근접 또는 인접 배치된다. 각각의 챔버(104)는 재생기 하우징(102)의 대향 단부(118, 120)에 위치된 한 쌍의 개구(106, 108)를 포함한다.

히트 펌프(100)는 MCM을 포함하는 복수의 스테이지(112)도 포함한다. 각각의 스테이지(112)는 챔버(104) 중 하나의 내부에 위치되고 축 방향을 따라 연장된다. 도면에 도시된 예시적인 실시예의 경우, 히트 펌프(100)는 도시된 바와 같이 원주 방향을 따라 서로 인접 배치되고 축 방향을 따라 종방향으로 연장되는 8개의 스테이지(112)를 포함한다. 여기 개시된 교시 사항을 이용하여 당업자 중 한 당업자에 의해 알 수 있는 바와 같이, 8개가 아닌 다른 수의 스테이지(112)도 사용될 수 있다.

직사각형 하우징(102)에 한 쌍의 밸브(114, 116)가 부착되어 하우징과 함께 원주 방향(C)을 따라 회전된다. 보다 구체적으로, 제1 밸브(114)는 제1 단부(118)에 부착되고 제2 밸브(116)는 제2 단부(120)에 부착된다. 각각의 밸브(114, 116)는 복수의 구멍(122, 124)을 포함한다. 본 예시적인 실시예의 경우, 구멍(122, 124)은 원주 방향(C)을 따라 이격된 원주 방향으로 연장되는 슬롯으로서 구성된다. 각각의 구멍(122)은 챔버(104)의 각각의 개구(106)에 인접하게 위치된다. 각각의 구멍(124)은 챔버(104)의 각각의 개구(108)에 인접하게 위치된다. 따라서, 열 전달 유체는 각각의 스테이지(112) 내의 MCM을 통해 유동된 후 개구(108)와 구멍(124)을 통해 빠져나가도록 각각의 구멍(122)과 개구(106)를 통해 챔버(104) 내로 유동될 수 있다. 주어진 챔버(104)의 스테이지(112)를 통해 반대 방향으로 열 전달 유체가 유동되도록 반대 경로가 이용될 수 있다.

재생기 하우징(102)은 복수의 챔버(104) 내측으로 반경 방향으로 위치되고 제1 단부(118)와 제2 단부(120) 사이에서 축 방향을 따라 연장되는 공동(128)을 형성한다. 공동(128) 내에 자성 요소(126)가 위치되며, 본 예시적인 실시예의 경우, 제1 단부(118)와 제2 단부(120) 사이에서 축 방향을 따라 연장된다. 자성 요소(126)는 도 5에서 화설표(M)로 지시된 바와 같이 반경 방향 외측을 향하는 자기장을 제공한다.

자성 요소(126)의 배치 및 구성은 어느 한 시간에 복수의 스테이지(112) 중 일부만이 자기장 내에 존재하도록 되어 있다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 스테이지(112a, 112e)는 자기장 내에 부분적으로 존재하지만, 스테이지(112b, 112c, 112d)는 자성 요소(126)에 의해 형성된 자기장(M) 내에 전체가 존재한다. 반대로, 자성 요소(126)는 스테이지(112f, 112g, 112h)가 자성 요소(126)에 의해 형성된 자기장으로부터 완전히 또는 상당 부분 벗어나도록 구성 및 배치된다. 그러나, 재생기 하우징(102)이 화살표(W)에 의해 나타낸 바와 같이 원주 방향을 따라 연속 회전되므로, 일부 스테이지(112)가 자기장(M)에 진입하고 다른 스테이지가 빠져나갈 때 자기장 내의 스테이지(112) 중 일부가 연속적으로 변할 것이다.

재생기 하우징(102)의 제1 단부(118)와 제2 단부(120)에 마주하는 방식으로 위치된 밀봉부를 포함하는 한 쌍의 밀봉부(136, 138)가 제공된다. 제1 밀봉부(136)는 제1 유입 포트(140)와 제1 유출 포트(142)를 포함하고, 제1 밸브(114)에 인접하게 위치된다. 도시된 바와 같이, 포트(140, 142)는 제1 밀봉부(114)의 원주 방향(C)을 따라 180도 떨어져 위치된다. 그러나, 다른 구성이 사용될 수 있다. 예를 들면, 포트(140, 142)는 원주 방향(C)을 따라 약 170도 내지 약 190도의 범위 내에 위치될 수도 있다. 제1 밸브(114)와 재생기 하우징(102)은 제1 밀봉부(136)에 대해 상대 회전 가능하다. 포트(140, 142)는 라인(44, 46)(도 1)과 각각 연결된다. 이로써, A-A 축을 중심으로 한 재생기 하우징(102)의 회전은 이후 더 설명되는 바와 같이 어느 한 시간에 MCM의 적어도 2개 스테이지(112)와 유체 연통되게 라인(44, 46)을 순차적으로 배치한다.

제2 밀봉부(138)는 제2 유입 포트(144)와 제2 유출 포트(146)를 포함하고, 제2 밸브(116)에 인접하게 위치된다. 도시된 바와 같이, 포트(144, 146)는 제2 밀봉부(116)의 원주 방향(C)을 따라 180도 떨어져 위치된다. 그러나, 다른 구성이 사용될 수 있다. 예를 들면, 포트(144, 146)는 원주 방향(C)을 따라 약 170도 내지 약 190도의 범위 내에 위치될 수도 있다. 제2 밸브(116)와 재생기 하우징(102)은 제2 밀봉부(138)에 대해 상대 회전 가능하다. 포트(144, 146)는 라인(50, 48)(도 1)과 각각 연결된다. 이로써, A-A 축을 중심으로 한 재생기 하우징(102)의 회전은 이후 더 설명되는 바와 같이 어느 한 시간에 MCM의 적어도 2개 스테이지(112)와 유체 연통되게 라인(48, 50)을 순차적으로 배치한다. 특히, 재생기 하우징(102)의 회전 중 어느 한 시간에 라인(46, 50)은 각각 적어도 하나의 스테이지(112)와 유체 연통 상태로 있는 반면, 라인(44, 48)은 원주 방향을 따라 약 180도 떨어져 위치된 적어도 하나의 다른 스테이지(112)와 유체 연통 상태로 있을 것이다.

도 7은 재생기 하우징(102)이 도 6에 도시된 바와 같이 위치 1-8 사이에서 화살표(W) 방향으로 회전될 때 재생기 하우징(102) 내의 MCM의 스테이지(112)의 개략적인 표현을 이용하는 본 발명의 예시적인 방법을 나타낸다. 200 단계 중에, 스테이지(112)는 자기장(M) 내에 완전히 속하며, 이는 재료의 자기적 모멘트를 배향시켜 MCM이 자기 열량 효과의 일부로서 가열되도록 한다. 자기장의 배열은 재생기 하우징(102)이 화살표(W) 방향으로 회전시 스테이지(112)가 순차적으로 위치 2, 3, 4를 통해 회전됨(도 6)에 따라 형성되고 유지된다. 위치 2, 3, 4에서의 시간 중에 열 전달 유체는 스테이지(112)의 MCM에 유지됨으로써 가열된다. 보다 구체적으로, 열 전달 유체는 위치 2, 3, 4의 스테이지(112)에 대응하는 개구(106, 108, 122, 124)가 포트(140, 142, 144 또는 146) 중 임의의 것과 정렬되지 않기 때문에 스테이지(112)를 통해 유동되지 않는다.

202 단계에서, 재생기 하우징(102)이 화살표(W) 방향으로 계속 회전됨에 따라, 스테이지(112)는 결국 위치 5에 도달하게 된다. 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 위치 5에서 열 전달 유체는 제1 유입 포트(140)가 제1 밸브(114) 내의 개구(122)와 스테이지(112)의 제1 단부(118)의 개구(106)와 정렬되는 한편, 제2 유출 포트(146)가 스테이지(112)의 제2 단부(120)에서 제2 밸브(116)의 개구(124)와 정렬될 때 재료를 통해 유동될 수 있다. 화살표(Q_H _- _OUT)에 의해 지시되는 바와 같이, MCM에 의해 가열되는 스테이지(112)에서의 열 전달 유체는 재생기 하우징(102)으로부터 라인(48)을 따라 제2 열교환기(34)로 이동될 수 있다. 동시에 그리고 화살표(Q_H _- _IN)로 나타낸 바와 같이 제1 열교환기(32)로부터의 열 전달 유체는 스테이지(112)가 위치 5에 있을 때 라인(44)으로부터 스테이지(112) 내로 유동된다. 제1 열교환기(32)로부터의 열 전달 유체는 스테이지(112)에서의 MCM보다 상대적으로 더 차기 때문에 MCM은 열 전달 유체로 열을 잃게 된다.

다시 도 7과 204 단계를 참조하면, 재생기 하우징(102)이 화살표(W) 방향으로 계속 회전하면, 스테이지(112)는 스테이지(112)가 완전히 또는 상당히 자기장(M)을 벗어나는 위치 6, 7, 8을 통해 순차적으로 이동된다. 자기장의 부재 또는 감소는 재료의 자기적 모멘트가 무질서화되어 MCM이 자기 열량 효과의 일부로서 열을 흡수하도록 한다. 위치 6, 7, 8에서의 시간 중에, 열 전달 유체는 스테이지(112)의 MCM에 유지됨으로써 자기적 모멘트가 무질서화됨에 따라 MCM에 열을 잃게 되는 것에 의해 냉각된다. 보다 구체적으로, 열 전달 유체는 위치 6, 7, 8에 있을 때 스테이지(112)에 대응하는 개구(106, 108, 122, 124)가 포트(140, 142, 144 또는 146) 중 어떤 것과도 정렬되지 않기 때문에 스테이지(112)를 통해 유동되지 않는다.

도 7의 206 단계를 참조하면, 재생기 하우징(102)이 화살표(W) 방향으로 계속 회전하면, 스테이지(112)는 결국 위치 1에 도달한다. 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 위치 1에서 스테이지(112) 내의 열 전달 유체는 제2 유입 포트(144)가 제2 밸브(116) 내의 개구(124)와 제2 단부(120)에 있는 개구(108)와 정렬되는 한편, 제1 유출 포트(142)가 제1 밸브(114) 내의 개구(122)와 제1 단부(118)에 있는 개구(106)와 정렬될 때 재료를 통해 유동될 수 있다. 화살표(Q_C _- _OUT)에 의해 지시되는 바와 같이, MCM에 의해 냉각되는 스테이지(112)에서의 열 전달 유체는 재생기 하우징(102)으로부터 라인(46)을 따라 제1 열교환기(32)로 이동될 수 있다. 동시에 그리고 화살표(Q_C _- _IN)로 나타낸 바와 같이 제2 열교환기(34)로부터의 열 전달 유체는 스테이지(112)가 위치 5에 있을 때 라인(50)으로부터 스테이지(112) 내로 유동된다. 제2 열교환기(34)로부터의 열 전달 유체는 위치 5에서 스테이지(112) 내의 MCM보다 상대적으로 더 따뜻하기 때문에 MCM은 열 전달 유체로 자체 열의 일부를 잃게 된다. 결국 열 전달 유체는 라인(46)을 따라 제1 열교환기(32)로 이동됨으로써 열을 수용하여 냉장실(30)을 냉각시킨다.

재생기 하우징(102)이 계속 회전됨에 따라, 전술한 자기장(M) 내외로의 스테이지(112)의 배치 공정이 반복된다. 추가로, 재생기 하우징(102)과 자기장(M)의 크기는 복수의 스테이지(112) 중 일부가 회전 중 임의의 주어진 시간에 자기장 내에 존재하도록 선택된다. 유사하게, 복수의 스테이지(112) 중 일부는 회전 중 임의의 주어진 시간에 자기장으로부터 벗어나 있다(또는 거의 벗어나 있다). 추가로, 임의의 주어진 시간에, 열 전달 유체가 통과되는 적어도 2개의 스테이지(112)가 존재하는 반면, 그 외의 스테이지는 체류 모드(dwell mode)로 유지된다. 보다 구체적으로, 하나의 스테이지(112)가 위치 5에서 열 전달 유체의 유동을 통해 열을 잃는 동안, 다른 스테이지(112)는 위치 1에서 유동하는 열 전달 유체로부터 열을 받고 나머지 모든 스테이지(112)는 체류 모드에 있다. 이로써, 시스템은 스테이지(112)가 각각 위치 1-8을 통해 순차적으로 회전될 때 히트 펌프 시스템(52) 내의 열 전달 유체의 연속적인 재순환을 제공하도록 연속적으로 작동될 수 있다.

당업자 중 하나에 의해 여기 개시된 내용을 이용하여 알 수 있는 바와 같이, 하우징(102)에 대한 스테이지의 수, 밸브(114, 116) 내의 포트의 수 및/또는 다른 파라미터는 여전히 연속 동작을 제공하면서 상이한 구성의 히트 펌프(100)를 제공하도록 변화될 수 있다. 예를 들면, 각각의 밸브는 열 전달 유체가 임의의 특정 시점에 적어도 4개의 스테이지(112)를 통해 유동되도록 2개의 유입 포트와 2개의 유출 포트 내에 제공될 수 있다. 대안적으로, 재생기 하우징(102), 밸브(122, 124) 및/또는 밀봉부(136, 138)는 어느 한 시간에 예컨대 적어도 2개의 스테이지가 유입 포트 및 유출 포트와 유체 연통 상태에 있도록 구성될 수 있다. 다른 구성도 사용될 수 있다.

언급한 바와 같이, 스테이지(112)는 축 방향의 유동을 따라 연장되는 MCM을 포함한다. MCM은 단일 종의 자기 열량 재료로 구성되거나 상이한 다중 자기 열량 재료를 포함할 수 있다. 예로써, 기기(10)는 대기 온도가 상당한 범위에 걸쳐 변화되는 용례에 사용될 수 있다. 그러나, 특정 자기 열량 재료는 단지 매우 좁은 온도 범위에 걸쳐서만 자기 열량 효과를 낼 수 있다. 이로써, 기기(10) 및/또는 히트 펌프(100)가 사용될 수 있는 넓은 범위의 대기 온도 범위를 수용하기 위해 주어진 스테이지 내에 다양한 자기 열량 재료를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 스테이지(112)는 다른 자기 열량 재료의 영역들(152, 154, 156, 158, 160, 162)을 포함할 수 있다. 각각의 이러한 영역은 스테이지(112)의 축 방향을 따라 인접한 영역과 다른 온도 또는 온도 범위에서 자기 열량 효과를 나타내는 MCM을 포함한다. 예를 들면, 152 영역은 156 영역에서의 온도보다 낮을 수 있는 경우 등과 같이 154 영역이 자기 열량 효과를 나타내는 온도보다 낮은 온도에서 자기 열량 효과를 나타낼 수 있다. 다른 구성도 사용될 수 있다. MCM의 영역의 번호 순서를 적절하게 구성하는 것에 의해, 히트 펌프(100)는 상당한 범위의 대기 온도에 걸쳐 작동될 수 있다.

이제 도 4, 5, 6을 참조하면, 자성 요소(126)는 본 예시적인 실시예의 경우 할바흐(Halbach) 자석 배열로 배열된 복수의 자석(130)으로부터 아크 형상으로 구성된다. 보다 구체적으로, 자석(130)은 자성 요소(126)가 자성 요소(126)의 반경 반향 외측으로 재생기 하우징(102) 측으로 위치된 자기장(M)을 제공하는 한편, A-A 회전 축 측을 향해 반경 방향 내측에는 자기장이 최소로 배치되거나 존재하지 않도록 배열된다. 자기장(M)은 곡선형 또는 아크형으로 정렬될 수 있다. 자성 요소(126) 및/또는 그에 따른 자기장에 대해 다양한 다른 구성도 사용될 수 있다. 예를 들면, 자성 요소(126)는 자기장을 외측으로 방사하는 할바흐 배열로 공동(128) 내에 위치된 복수의 제1 자석과 재생기 하우징(102)의 반경 방향 외측에 위치되어 재생기 하우징(102)으로 반경 방향 내측으로 위치된 자기장을 제공하도록 배열된 복수의 제2 자석으로 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 자성 요소(128)는 재생기 하우징(102)의 반경 방향 외측에 위치되어 재생기 하우징(102) 측으로 반경 방향 내측으로 위치된 자기장을 제공하도록 배열된 복수의 자석으로 구성될 수 있다. 자성 요소(128)의 다른 구성도 사용될 수 있다. 예를 들면, 자원하는 자기장을 형성하기 위해 자석 대신에 코일이 사용될 수 있다.

본 예시적인 실시예의 경우, 자성 요소(126)에 의해 형성된 아크는 원주 방향으로 약 180도 연장되는 자기장을 제공한다. 또 다른 실시예에서, 자성 요소(126)에 의해 형성된 아크는 원주 방향으로 약 170도 내지 약 190도의 범위로 연장되는 자기장을 제공한다.

재생기 하우징(102)에는 모터(28)가 기계적으로 연결되어 A-A 축을 중심으로 한 하우징(102)의 회전을 제공한다. 예로써, 모터(28)는 샤프트에 의해 하우징(102)과 직접 연결되거나 기어 박스를 통해 간접적으로 연결될 수 있다. 다른 구성도 사용될 수 있다.

이상의 기술된 설명은 본 발명은 설명하기 위해 그리고 임의의 장치 및 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 포함하여 임의의 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위해 최적의 모드를 포함하는 예를 이용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자가 떠올릴 수 있는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는 이들 예가 청구범위의 문자 그대로의 언어와 다르지 않은 구조적 요소를 포함하거나 청구범위의 문자 그대로의 언어와 크게 다르지 않은 등가의 구조적 요소를 포함한다면 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims

히트 펌프 시스템으로서:
원주 방향을 형성하고 축 방향을 중심으로 회전 가능한 재생기 하우징으로서, 상기 축 방향은 상기 재생기 하우징의 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되고, 상기 재생기 하우징은 한 쌍의 개구 사이에서 상기 축 방향을 따라 종방향으로 각기 연장되는 복수의 챔버를 포함하고, 상기 복수의 챔버는 상기 원주 방향을 따라 서로에 대해 근접 배열된, 재생기 하우징과;
상기 복수의 챔버 중 하나의 챔버 내에 위치되고 상기 축 방향을 따라 연장되는 자기 열량 재료를 각각 포함하는 복수의 스테이지와;
상기 재생기 하우징의 상기 제1 단부에 부착된 제1 밸브와 상기 재생기 하우징의 상기 제2 단부에 부착된 제2 밸브를 포함하는 한 쌍의 밸브로서, 상기 제1 밸브와 제2 밸브 각각은 상기 원주 방향을 따라 서로 이격된 복수의 구멍을 포함하고, 상기 구멍 각각은 상기 복수의 챔버 중 하나의 상기 개구 쌍 중 하나의 개구에 인접하게 위치된, 한 쌍의 밸브와;
상기 재생기 하우징에 인접하게 위치되고 상기 축 방향을 따라 연장되고 자기장을 형성하는 자성 요소로서, 상기 재생기 하우징이 상기 축 방향을 중심으로 회전될 때 상기 복수의 스테이지 중 일부가 상기 자기장 내외로 이동되도록 위치된, 자성 요소와;
상기 재생기 하우징과 상기 밸브 쌍이 해당 밀봉부 쌍에 대해 상대 회전 가능하도록 상기 제1 밸브에 인접하게 위치된 제1 밀봉부와 상기 제2 밸브에 인접하게 위치된 제2 밀봉부를 포함하는 한 쌍의 밀봉부로서, 상기 제1 및 제2 밀봉부는 각각 한 쌍의 포트를 포함하고, 해당 포트는 서로에 대해 마주하는 방식으로 위치됨과 함께, 상기 재생기 하우징이 상기 축 방향을 중심으로 회전시 각각의 포트가 상기 복수의 챔버에 있는 상기 개구 쌍 중 적어도 하나의 개구와 선택적으로 정렬 가능하도록 위치된, 한 쌍의 밀봉부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 시스템.
제1항에 있어서, 상기 재생기 하우징은 반경 방향을 형성하고, 상기 재생기 하우징은 상기 복수의 챔버의 반경 방향 내측에 위치된 공동을 더 포함하고, 상기 자성 요소는 상기 재생기 하우징의 공동 내에 위치된, 히트 펌프 시스템.
제2항에 있어서, 상기 자성 요소는 아크의 형태로 배열된 복수의 자석을 포함하고, 실질적으로 반경 방향으로 외측 방향을 따라 자기장을 발생시키도록 구성된, 히트 펌프 시스템.
제3항에 있어서, 상기 복수의 자석에 의해 형성된 아크는 상기 원주 방향을 따라 약 170도 내지 약 190도의 범위의 양만큼 연장되는, 히트 펌프 시스템.
제4항에 있어서, 상기 복수의 자석은 할바흐(Halbach) 배열로 배열된, 히트 펌프 시스템.
제1항에 있어서, 상기 재생기 하우징은 반경 방향을 형성하고, 상기 재생기 하우징은 상기 복수의 챔버의 반경 방향 내측에 위치된 공동을 더 포함하고, 상기 자성 요소는 상기 공동 내에 위치된 제1의 복수의 자석과 상기 재생기 하우징의 반경 방향 외측에 위치된 제2의 복수의 자석을 포함하는, 히트 펌프 시스템.
제1항에 있어서, 상기 밀봉부 쌍의 각각의 밀봉부의 상기 포트의 쌍은 상기 원주 방향을 따라 서로로부터 약 170도 내지 약 190도의 범위 내에 위치된, 히트 펌프 시스템.
제1항에 있어서, 상기 복수의 스테이지 각각은 상기 축 방향을 따라 순차적으로 배열된 복수의 자기 열량 재료의 영역을 포함하고, 해당 영역 각각은 인접한 영역에 비해 자기 열량 재료의 자성 모멘트 변화가 일어나는 상이한 온도 범위를 갖는 자기 열량 재료를 포함하는, 히트 펌프 시스템.
제8항에 있어서, 상기 복수의 영역은 상기 자기 열량 재료의 자성 모멘트의 변화가 일어나는 온도 범위가 상기 축 방향을 따라 영역들 간에 순차적으로 증가하도록 상기 축 방향을 따라 배열된, 히트 펌프 시스템.
제1항에 있어서, 상기 재생기 하우징과 기계적으로 연결되고 상기 축 방향을 중심으로 상기 재생기 하우징을 회전시키도록 구성된 모터를 더 포함하는, 히트 펌프 시스템.
냉장 기기로서:
식품 물품의 보관을 위한 격실과;
상기 격실로부터 열을 제거하기 위한 제1 열교환기와;
상기 제1 열교환기에 의해 제거된 열을 상기 격실 외부의 위치로 전달하기 위한 제2 열교환기와;
상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기 사이에서 열 전달 유체를 순환시키는 펌프와;
상기 펌프와 유체 연통되고, 그리고 제1 유입 포트와 제1 유출 포트를 통해 상기 제1 열교환기와 유체 연통되며, 제2 유입 포트와 제2 유출 포트에 의해 상기 제2 열교환기와 유체 연통되는, 히트 펌프
를 포함하고, 상기 히트 펌프는:
원주 방향을 형성하고 축 방향을 중심으로 회전 가능한 재생기 하우징으로서, 상기 축 방향은 상기 재생기 하우징의 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되고, 한 쌍의 개구 사이에서 상기 축 방향을 따라 종방향으로 각기 연장되는 복수의 챔버를 포함하고, 상기 복수의 챔버는 상기 원주 방향을 따라 서로에 대해 근접 배열된, 재생기 하우징과;
상기 복수의 챔버 중 하나의 챔버 내에 위치되고 상기 축 방향을 따라 연장되는 자기 열량 재료를 각각 포함하는 복수의 스테이지와;
상기 재생기 하우징의 상기 제1 단부에 부착된 제1 밸브와 상기 재생기 하우징의 상기 제2 단부에 부착된 제2 밸브를 포함하는 한 쌍의 밸브로서, 상기 제1 밸브와 제2 밸브 각각은 상기 원주 방향을 따라 서로 이격된 복수의 구멍을 포함하고, 상기 구멍 각각은 상기 복수의 챔버 중 하나의 상기 개구 쌍 중 하나의 개구에 인접하게 위치된, 한 쌍의 밸브와;
상기 재생기 하우징에 인접하게 위치되고 상기 축 방향을 따라 연장되고 자기장을 형성하는 자성 요소로서, 상기 재생기 하우징이 상기 축 방향을 중심으로 회전될 때 상기 복수의 스테이지 중 일부가 상기 자기장 내에서 이동되도록 위치된, 자성 요소와;
상기 재생기 하우징과 상기 밸브 쌍이 해당 밀봉부 쌍에 대해 상대 회전 가능하도록 상기 제1 밸브에 인접하게 위치된 제1 밀봉부와 상기 제2 밸브에 인접하게 위치된 제2 밀봉부를 포함하는 한 쌍의 밀봉부로서, 상기 제1 밀봉부는 상기 제1 유입 포트와 제1 유출 포트를 포함하고, 상기 제2 밀봉부는 상기 제2 유입 포트와 제2 유출 포트를 포함하는, 한 쌍의 밀봉부
를 포함하고, 상기 제1 유입 포트와 제1 유출 포트는 상기 제1 밀봉부 둘레에 마주하는 방식으로 위치되고, 상기 제2 유입 포트와 제2 유출 포트는 상기 제2 밀봉부 둘레에 마주하는 방식으로 위치되고,
상기 제1 유입 포트와 상기 제2 유출 포트는 상기 제1 열교환기로부터의 열 전달 유체가 적어도 하나의 챔버 내에 위치된 자기 열량 재료의 스테이지로부터 열을 수용할 수 있도록 상기 재생기 하우징이 상기 축 방향을 중심으로 회전될 때마다 상기 적어도 하나의 챔버 내의 개구 쌍과 유체 연통되게 위치되고,
상기 제2 유입 포트와 상기 제1 유출 포트는 상기 제2 열교환기로부터의 열 전달 유체가 적어도 하나의 다른 챔버 내의 자기 열량 재료로 열을 전달할 수 있도록 상기 재생기 하우징이 상기 축 방향을 중심으로 회전될 때마다 상기 적어도 하나의 다른 챔버 내의 개구 쌍과 유체 연통되게 위치된
것을 특징으로 하는 냉장 기기.
제11항에 있어서, 상기 재생기 하우징은 반경 방향을 형성하고, 상기 재생기 하우징은 상기 복수의 챔버의 반경 방향 내측에 위치된 공동을 더 포함하고, 상기 자성 요소는 상기 재생기 하우징의 공동 내에 위치된, 냉장 기기.
제12항에 있어서, 상기 자성 요소는 아크의 형태로 배열된 복수의 자석을 포함하고, 실질적으로 반경 방향으로 외측 방향을 따라 자기장을 발생시키도록 구성된, 냉장 기기.
제13항에 있어서, 상기 복수의 자석에 의해 형성된 아크는 상기 원주 방향을 따라 약 170도 내지 약 190도의 범위의 양만큼 연장되는, 냉장 기기.
제14항에 있어서, 상기 복수의 자석은 할바흐(Halbach) 배열로 배열된, 냉장 기기.
제11항에 있어서, 상기 재생기 하우징은 반경 방향을 형성하고, 상기 재생기 하우징은 상기 복수의 챔버의 반경 방향 내측에 위치된 공동을 더 포함하고, 상기 자성 요소는 상기 공동 내에 위치된 제1의 복수의 자석과 상기 재생기 하우징의 반경 방향 외측에 위치된 제2의 복수의 자석을 포함하는, 냉장 기기.
제11항에 있어서, 상기 밀봉부 쌍의 각각의 밀봉부의 상기 포트의 쌍은 상기 원주 방향을 따라 서로로부터 약 170도 내지 약 190도의 범위 내에 위치된, 냉장 기기.
제11항에 있어서, 상기 복수의 스테이지 각각은 상기 축 방향을 따라 순차적으로 배열된 복수의 자기 열량 재료의 영역을 포함하고, 해당 영역 각각은 인접한 영역에 비해 자기 열량 재료의 자성 모멘트 변화가 일어나는 상이한 온도 범위를 갖는 자기 열량 재료를 포함하는, 냉장 기기.
제18항에 있어서, 상기 복수의 영역은 상기 자기 열량 재료의 자성 모멘트의 변화가 일어나는 온도 범위가 상기 축 방향을 따라 영역들 간에 순차적으로 증가하도록 상기 축 방향을 따라 배열된, 냉장 기기.
제11항에 있어서, 상기 재생기 하우징과 기계적으로 연결되고 상기 축 방향을 중심으로 상기 재생기 하우징을 회전시키도록 구성된 모터를 더 포함하는, 냉장 기기.