KR20150107235A - 자기냉각장치 - Google Patents

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Abstract

냉각성능을 높일 수 있도록 개선된 구조를 가지는 자기냉각장치를 개시한다.
자기냉각장치는, 제1열전달유체를 통과시키며 제1자기(磁氣)열재료를 포함하는 복수의 제1자기재생기들과, 제1열전달유체보다 상대적으로 어는 점이 낮은 제2열전달유체를 통과시키며 제1자기열재료보다 상대적으로 퀴리(Curie)온도가 낮은 제2자기열재료를 포함하는 복수의 제2자기재생기들과, 복수의 제1자기재생기들과 복수의 제2자기재생기들에 자기장을 인가하거나 제거하는 적어도 하나의 마그네트와, 복수의 제1자기재생기들로부터 열을 전달받은 제1열전달유체가 방열하는 적어도 하나의 고온측열교환기(Hot-side heat-exchanger)와, 복수의 제2자기재생기로 열을 전달한 제2열전달유체가 흡열하는 적어도 하나의 저온측열교환기(Cold-side heat-exchanger)와, 복수의 제1자기재생기들의 저온부 사이를 흐르는 제1열전달유체와 복수의 제2자기재생기들의 고온부를 통과한 제2열전달유체가 서로 열교환하는 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)를 포함한다.

Description

자기냉각장치{MAGNETIC COOLING APPARATUS}
본 발명은 냉각장치에 관한 것으로, 특히 자기(磁氣)열재료의 특성을 이용한 냉각장치에 관한 것이다.
자기냉각장치는 자기장이 인가되면 발열하고 자기장이 제거되면 흡열하는 자기(磁氣)열재료의 특성을 이용한 냉각장치로, 기존의 공기압축 사이클을 이용한 냉각장치를 대체할 수 있는 새로운 냉각장치이다.
일반적인 자기냉각장치는 자기열재료를 포함하는 자기재생기와, 자기재생기에 자기장을 인가하거나 제거하는 마그네트와, 자기재생기를 통과한 열전달유체가 외기의 열을 흡수하거나 외기로 열을 방출하는 열교환기 등을 포함한다.
자기재생기에 자기장이 인가되고 제거되는 과정 및 자기재생기에 자기장이 인가되고 제거되는 동작에 따라 열전달유체가 왕복되는 과정이 반복되면, 자기재생기의 양단에는 고온부와, 고온부에 비해 상대적으로 온도가 낮은 저온부가 각각 형성된다.
자기재생기의 양단에 형성된 고온부와 저온부 사이의 온도 차이는 자기냉각장치의 냉각성능과 비례하므로, 자기재생기의 양단에 형성된 고온부와 저온부 사이의 온도 차이를 크게 할 수 있는 자기재생기의 배치 구조가 요구된다.
본 발명의 일 측면은 냉각성능을 높일 수 있도록 개선된 구조를 가지는 자기냉각장치를 개시한다.
본 발명의 사상에 따른 자기냉각장치는 제1열전달유체를 통과시키며, 제1자기(磁氣)열재료를 포함하는 복수의 제1자기재생기들;과, 상기 제1열전달유체보다 상대적으로 어는 점이 낮은 제2열전달유체를 통과시키며, 상기 제1자기열재료보다 상대적으로 퀴리(Curie)온도가 낮은 제2자기열재료를 포함하는 복수의 제2자기재생기들;과, 상기 복수의 제1자기재생기들과 상기 복수의 제2자기재생기들에 자기장을 인가하거나 제거하는 적어도 하나의 마그네트;와, 상기 복수의 제1자기재생기들로부터 열을 전달받은 상기 제1열전달유체가 방열하는 적어도 하나의 고온측열교환기(Hot-side heat-exchanger);와, 상기 복수의 제2자기재생기로 열을 전달한 상기 제2열전달유체가 흡열하는 적어도 하나의 저온측열교환기(Cold-side heat-exchanger);와,상기 복수의 제1자기재생기들의 저온부 사이를 흐르는 상기 제1열전달유체와 상기 복수의 제2자기재생기들의 고온부를 통과한 상기 제2열전달유체가 서로 열교환하는 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger);를 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1자기재생기들 사이에서 상기 제1열전달유체를 서로 반대되는 제1방향과 제2방향으로 왕복 이송시키는 제1유체이송장치와, 상기 복수의 제2자기재생기들 사이에서 상기 제2열전달유체를 서로 반대되는 제1방향과 제2방향으로 왕복 이송시키는 제2유체이송장치를 포함할 수 있다.
상기 중간열교환기에서 상기 제1열전달유체와 상기 제2열전달유체는 서로 반대되는 방향으로 이송될 수 있다.
상기 복수의 제1자기재생기들은 서로 나란하게 배치되는 한 쌍으로 구성되고, 상기 복수의 제2자기재생기들은 서로 나란하게 배치되는 한 쌍으로 구성되며, 상기 한 쌍의 제1자기재생기들 중 어느 하나와 상기 한 쌍의 제2자기재생기들 중 어느 하나는 일렬로 배치되고, 상기 한 쌍의 제1자기재생기들 중 다른 하나와 상기 한 쌍의 제2자기재생기들 중 다른 하나는 일렬로 배치될 수 있다.
상기 마그네트는 일렬로 배치된 상기 제1자기재생기와 상기 제2자기재생기에 동시에 자기장을 가하거나 제거할 수 있다.
일렬로 배치된 상기 제1자기재생기와 상기 제2자기재생기에 동시에 자기장이 가해지면 상기 제1열전달유체는 제1방향으로 이송되고, 일렬로 배치된 상기 제1자기재생기와 상기 제2자기재생기에 동시에 자기장이 제거되면 상기 제1열전달유체는 제1방향과 반대되는 제2방향으로 이송될 수 있다.
상기 제1자기재생기는, 상기 제1자기열재료가 수용되는 수용부와, 상기 제1열전달유체가 상기 수용부의 내측으로 유입될 수 있도록 상기 수용부의 양단과 연통되는 커넥팅부와, 상기 제1자기재생기의 외부와 상기 수용부 사이의 열교환이 저감되도록 상기 수용부를 감싸는 적어도 하나의 단열부를 포함할 수 있다.
상기 단열부는 폴리머층, 폴리스티렌층, 진공층 및 공기층 중 적어도 하나로 마련될 수 있다.
상기 커넥팅부는 폴리머, 폴리스티렌 중 적어도 하나의 재질로 형성될 수 있다.
상기 제1자기재생기의 외면에 결합되어 상기 제1자기열재료에 열을 가하는 제1온도제어소자와, 상기 제2자기재생기의 외면에 결합되어 상기 제2자기열재료의 열을 흡수하는 제2온도제어소자를 포함할 수 있다.
상기 제1온도제어소자와 상기 제2온도제어소자는 펠티어 소자(Pelier element)일 수 있다.
또한 본 발명의 사상에 따른 자기냉각장치는 제1자기(磁氣)열재료를 포함하는 복수의 제1자기재생기들을 가지는 제1자기재생유닛;과, 상기 제1자기열재료와 퀴리온도가 다른 제2자기열재료를 포함하는 복수의 제2자기재생기들을 가지는 제2자기재생유닛;과, 상기 복수의 제1자기재생기들과 상기 복수의 제2자기재생기들에 자기장을 인가하거나 제거하는 적어도 하나의 마그네트;와, 상기 제1열전달유체와 상기 제2열전달유체가 열교환을 수행할 수 있도록 상기 제1자기재생유닛과 상기 제2자기재생유닛 사이에 배치되는 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger);를 포함할 수 있다.
상기 중간열교환기는 상기 제1자기재생유닛의 저온부와 상기 제2자기재생유닛의 고온부 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1자기재생유닛과 상기 제2자기재생유닛은 서로 독립적으로 제어될 수 있다.
상기 제1열전달유체와 상기 제2열전달유체는 서로 반대되는 방향으로 이송될 수 있다.
또한 본 발명의 사상에 따른 자기냉각장치의 자기재생기는 열전달유체가 흐르는 자기재생기와, 상기 자기재생기에 자기장을 인가하거나 제거하는 마그네트를 포함하는 자기냉각장치에 있어서, 상기 자기재생기는, 자기장이 인가되면 발열하고 자기장이 제거되면 흡열하는 자기열재료가 수용되는 수용부;와, 상기 열전달유체가 상기 수용부의 내측으로 유입될 수 있도록 상기 수용부의 양단과 연통되는 커넥팅부;와, 상기 자기재생기의 외부와 상기 수용부 사이의 열교환이 저감되도록 상기 수용부를 감싸는 적어도 하나의 단열부;를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 사상에 따른 자기냉각장치의 자기재생기는 열전달유체가 흐르는 자기재생기와, 상기 자기재생기에 자기장을 인가하거나 제거하는 마그네트를 포함하는 자기냉각장치에 있어서, 상기 자기재생기는, 몸체;와, 상기 몸체의 내측에 형성되어 자기장이 인가되면 발열하고 자기장이 제거되면 흡열하는 자기열재료를 수용하는 수용부와, 상기 몸체의 외면에 결합되어 상기 자기열재료에 열을 가하거나 상기 자기열재료의 열을 흡수하는 적어도 하나의 온도제어소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 열전달유체를 공유하지 않는 자기재생기들이 서로 열을 교환할 수 있도록 배치되므로, 서로 열을 교환하는 자기재생기들 중 어느 하나의 자기재생기의 고온부와 다른 하나의 자기재생기의 저온부 사이의 온도 차이가 커지게 되어 자기냉각장치의 냉각성능이 향상된다.
또한, 자기재생기 양단에서의 열손실이 저감되므로, 자기냉각장치의 냉각성능이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기냉각장치를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 'Ⅰ-Ⅰ' 선에 따른 단면도.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1자기재생기의 단면도.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2자기재생기의 단면도.
도 4는 온도 변화에 따른 자기열재료들의 발열/흡열량을 나타낸 그래프.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기냉각장치의 작동 과정을 도시한 도면.
도 7은 시간의 진행에 따른 제1자기재생기의 고온부와 저온부 및 제2자기재생기의 고온부와 저온부의 온도 변화를 나타낸 그래프.
도 8은 자기재생기들에 온도제어소자가 결합된 모습을 도시한 도면.
이하에서는 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기냉각장치를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 'Ⅰ-Ⅰ' 선에 따른 단면도이다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1자기재생기의 단면도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2자기재생기의 단면도이다. 도 1에서는 마그네트를 제외하고 도시하였다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 자기냉각장치(100)는 서로 열을 교환할 수 있도록 배치되는 제1자기재생유닛(110) 및 제2자기재생유닛(120)과, 제1자기재생유닛(110) 및 제2자기재생유닛(120)에 자기장을 인가하거나 제거하는 마그네트(130)와, 제1열전달유체(F1, 도 5 참조)가 방열하는 고온측열교환기(Hot-side heat-exchanger)(140)와, 제2열전달유체(F2, 도 5 참조)가 흡열하는 저온측열교환기(Cold-side heat-exchanger)(150)와, 제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생유닛(120)이 열을 교환할 수 있도록 제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생유닛(120) 사이에 배치되는 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)(160)를 포함한다.
제1자기재생유닛(110)은 서로 나란하게 배치되는 한 쌍의 제1자기재생기들(112, 114)을 포함한다. 한 쌍의 제1자기재생기들(112, 114)의 구조는 동일하므로 이하에서는 하나의 제1자기재생기(112)를 중심으로 설명한다.
제1자기재생기(112)는 도 3a에 도시된 바와 같이, 원통 형상의 몸체(112a)와, 몸체(112a)의 길이 방향을 따라 몸체(112a) 내측에 형성되는 수용부(112b)를 포함한다. 수용부(112b)에는 제1자기(磁氣)열재료(171)가 충진된다.
수용부(112b)의 양단에는 커넥팅부(112c)가 결합된다. 커넥팅부(112c)는 폴리머(Polymer), 폴리스티렌(Polystyrene) 등의 고분자 화합물질로 형성될 수 있다. 폴리머(Polymer), 폴리스티렌(Polystyrene) 등의 고분자 화합물질은 일반적으로 금속에 비해 열전도계수가 낮아 단열효과가 크다. 따라서 제1자기재생기(112)의 양단에서 제1자기재생기(112)와 외부와의 열교환을 통해 발생하는 열손실이 저감되므로, 자기냉각장치(100)의 전체적인 냉각성능이 향상된다.
몸체(112a)와 수용부(112b) 사이에는 단열부(112d)가 배치된다. 단열부(112d)는 수용부(112b)를 감싸며, 폴리머(Polymer)층, 폴리스티렌(Polystyrene)층, 진공(Vacuum)층 및 공기(Air)층 등의 열전도계수가 낮은 물질들로 형성될 수 있다. 따라서 제1자기재생기(112)의 원주면을 따라 제1자기재생기(112)와 외부와의 열교환을 통해 발생하는 열손실이 저감되므로 자기냉각장치(100)의 전체적인 냉각성능이 향상된다.
제2자기재생유닛(120)은 서로 나란하게 배치되는 한 쌍의 제2자기재생기들(122, 124)을 포함한다. 한 쌍의 제2자기재생기들(122, 124) 중 좌측 제2자기재생기(122)는 한 쌍의 제1자기재생기들(112, 114) 중 좌측 제1자기재생기(112)와 일렬로 배치되고, 한 쌍의 제2자기재생기들(122, 124) 중 우측 제2자기재생기(124)는 한 쌍의 제1자기재생기들(112, 114) 중 우측 제1자기재생기(114)와 일렬로 배치된다. 한 쌍의 제2자기재생기들(122, 124)의 구조는 동일하므로 이하에서는 하나의 제2자기재생기(122)를 중심으로 설명한다.
제2자기재생기(122)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 원통 형상의 몸체(122a)와, 몸체(122a)의 길이 방향을 따라 몸체(122a) 내측에 형성되는 수용부(122b)를 포함한다. 수용부(122b)에는 제2자기(磁氣)열재료(172)가 충진된다.
수용부(122b)의 양단에는 커넥팅부(122c)가 결합된다. 커넥팅부(122c)는 폴리머(Polymer), 폴리스티렌(Polystyrene) 등의 고분자 화합물질로 형성될 수 있다. 폴리머(Polymer), 폴리스티렌(Polystyrene) 등의 고분자 화합물질은 일반적으로 금속에 비해 열전도계수가 낮아 단열효과가 크다. 따라서 제2자기재생기(122)의 양단에서 제2자기재생기(122)와 외부와의 열교환을 통해 발생하는 열손실이 저감되므로, 자기냉각장치(100)의 전체적인 냉각성능이 향상된다.
몸체(122a)와 수용부(122b) 사이에는 단열부(122d)가 배치된다. 단열부(122d)는 수용부(122b)를 감싸며, 폴리머(Polymer)층, 폴리스티렌(Polystyrene)층, 진공(Vacuum)층 및 공기(Air)층 등의 열전도계수가 낮은 물질들로 형성될 수 있다. 따라서 제2자기재생기(122)의 원주면을 따라 제1자기재생기(122)와 외부와의 열교환을 통해 발생하는 열손실이 저감되므로 자기냉각장치(100)의 전체적인 냉각성능이 향상된다.
제1자기재생기(112)의 수용부(112b)에 충진되는 제1자기(磁氣)열재료(171)와, 제2자기재생기(122)의 수용부(122b)에 충진되는 제2자기(磁氣)열재료(172)는 자기장이 인가되면 발열하고, 자기장이 제거되면 흡열하는 특성(자기열량효과)을 가지는데, 이러한 특성이 우수한 재료로는 미세한 크기의 분말인 가돌리늄(Gd), 망간철계 화합물 (MnFe), 란타늄철계 화합물 (LaFe) 등이 있다. 이러한 자기(磁氣)열재료들은 열전달유체의 흐름에 대해 침투성이 우수한 공극을 가지고 있고, 열의 흡수 및 방출 특성이 우수하다.
또한, 제1자기(磁氣)열재료(171)와 제2자기(磁氣)열재료(172)는 물리적인 특정에 의해 각각 특정한 온도구간에서 발열 또는 흡열하며, 각각 특정한 온도에서 발열 또는 흡열량이 최대가 된다.
도 4는 온도 변화에 따른 자기열재료들의 발열/흡열량을 나타낸 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1자기(磁氣)열재료(171)는 제1온도구간(R1, R1 : TL1 ~ TH1)에서 발열 또는 흡열하며, 제1온도구간(R1)에서 제1자기(磁氣)열재료(171)의 발열 또는 흡열량이 최대가 되는 온도(이하 '제1퀴리(Curie)온도'라 한다.)는 'TC1'이다.
제2자기(磁氣)열재료(172)는 제2온도구간(R2, R2 : TL2 ~ TH2)에서 발열 또는 흡열하며, 제2온도구간(R2)에서 제2자기(磁氣)열재료(172)의 발열 또는 흡열량이 최대가 되는 온도(이하 '제2퀴리(Curie)온도'라 한다.)는 'TC2'이다. 제2자기(磁氣)열재료(172)의 제2퀴리(Curie)온도(TC2)는 제1자기(磁氣)열재료(171)의 제1퀴리(Curie)온도(TC1)보다 상대적으로 낮다.
이상적인 조건 하에서, 제1자기(磁氣)열재료(171)가 충진되는 제1자기재생기들(112, 114)의 고온부(112a, 114a)의 온도는 정상상태(Steady state)에서 제1온도구간(R1)의 최대온도(TH1)와 같아지며, 제2자기(磁氣)열재료(172)가 충진되는 제2자기재생기들(122, 124)의 저온부(122b, 124b)의 온도는 제2온도구간(R2)의 최소온도(TL2)와 같아진다(도 7 참조). 이와 관련하여 자세한 내용은 후술한다.
마그네트(130)는 도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍을 이루는 N극과 S극으로 구성되며, 제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생기유닛(120)에 자기장을 인가하거나 제거할 수 있도록 이동 가능하게 마련된다.
마그네트(130)는 좌측 제1자기재생기(112) 및 좌측 제2자기재생기(122)에 동시에 자기장을 인가하거나 제거하고, 우측 제1자기재생기(114) 및 우측 제2자기재생기(124)에 동시에 자기장을 인가하거나 제거한다. 좌측 제1자기재생기(112) 및 좌측 제2자기재생기(122)에 자기장이 인가되면, 우측 제1자기재생기(114) 및 우측 제2자기재생기(124)에는 자기장이 제거되고, 우측 제1자기재생기(114) 및 우측 제2자기재생기(124)에 자기장이 인가되면, 좌측 제1자기재생기(112) 및 좌측 제2자기재생기(122)에는 자기장이 제거된다.
중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)(160)는 제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생유닛(120) 사이에 배치되어 제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생유닛(120) 사이의 열교환을 매개한다.
중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)(160)는 제1자기재생기들(112, 114)의 저온부(112b, 114b) 사이에 배치되는 제1수용부(161)와, 제2자기재생기들(122, 124)의 고온부(122a, 124a) 사이에 배치되는 제2수용부(162)를 포함한다.
중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)(160)의 내부에서 제1수용부(161)에 수용된 제1열전달유체(F1)와 제2수용부(162)에 수용된 제2열전달유체(F2) 사이에 열교환이 이루어진다. 이상적인 조건 하에서, 정상상태(Steady state)에서 제1자기재생기들(112, 114)의 저온부(112b, 114b)의 온도와 제2자기재생기들(122, 124)의 고온부(122a, 124a)의 온도는 서로 같아진다(도 7 참조). 이와 관련하여 자세한 내용은 후술한다.
자기냉각장치(100)는 제1자기재생기들(112, 114)과 고온측열교환기(Hot-side heat-exchanger)(140)를 연결하는 제1이송관(181)과, 제1열전달유체(F1)를 왕복 이송시키는 제1유체이송장치(191)와, 제2자기재생기들(122, 124)과 저온측열교환기(Cold-side heat-exchanger)(150)를 연결하는 제2이송관(182)과, 제2자기재생기들(122, 124)과 제2유체이송장치(192)를 연결하는 제3이송관(183)과, 제2열전달유체(F2)를 왕복 이송시키는 제2유체이송장치(192)를 더 포함한다.
제1유체이송장치(191)와 제2유체이송장치(192)는 마그네트(130)의 이동과 연동되도록 제어된다.
마그네트(130)가 좌측 제1자기재생기(112) 및 좌측 제2자기재생기(122)로 이동하여 자기장을 인가하고 우측 제1자기재생기(114) 및 우측 제2자기재생기(124)의 자기장이 제거되면, 제1유체이송장치(191)와 제2유체이송장치(192)는 도 5에 도시된 바와 같이 시계 방향으로 각각 제1열전달유체(F1)와 제2열전달유체(F2)가 이송되도록 한다
이와 반대로, 마그네트(130)가 우측 제1자기재생기(114) 및 우측 제2자기재생기(124)로 이동하여 자기장을 인가하고 좌측 제1자기재생기(112) 및 좌측 제2자기재생기(123)의 자기장이 제거되면, 제1유체이송장치(191)와 제2유체이송장치(192)는 도 6에 도시된 바와 같이 반시계 방향으로 각각 제1열전달유체(F1)와 제2열전달유체(F2)가 이송되도록 한다.
열전달유체의 이송 방향을 전환하기 위한 유체이송장치로는 디스플레이서(displacer) 또는 유량을 발생시키는 펌프와 유량의 방향을 전환시는 밸브를 조합하여 사용할 수 있다.
제1자기재생유닛(110)과 고온측열교환기(Hot-side heat-exchanger)(140)와 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)(160)는 제1폐(closed)경로(P1)를 형성한다. 제1열전달유체(F1)는 제1폐(closed)경로(P1, 도 5 참조)를 따라 왕복 이송된다.
제2자기재생유닛(120)과 저온측열교환기(Cold-side heat-exchanger)(150)와 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)(160)는 제2폐(closed)유체이송경로(P2, 도 5 참조)를 형성한다. 제2열전달유체(F2)는 제2폐(closed)유체이송경로(P2)를 따라 왕복 이송된다. 제2폐(closed)유체이송경로(P2)는 제1폐(closed)유체이송경로(P1)와 분리된다.
제1열전달유체(F1)와 제2열전달유체(F2)로는 물, 알코올, 에틸렌글리콜, 부동액, 헬륨기체 등이 사용될 수 있으며, 또한 이들을 섞어서 사용할 수도 있다. 제2열전달유체(F2)의 경우, 제1열전달유체(F1)에 비해 상대적으로 낮은 온도 영역에서 왕복 이송되므로, 제2열전달유체(F2)는 제1열전달유체(F1)에 비해 상대적으로 낮은 어는 점을 가지는 물질이 사용된다. 특히, 제2열전달유체(F2)가 0ㅀC 이하의 환경에서 왕복 이송되어야 할 경우, 0ㅀC 이하에서 얼지 않는 물질이 사용되어야 한다.
이하에서는 자기냉각장치(100)의 작동과정에 대해 설명한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기냉각장치의 작동 과정을 도시한 도면이고, 도 7은 시간의 진행에 따른 제1자기재생기의 고온부와 저온부 및 제2자기재생기의 고온부와 저온부의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 마그네트(130)가 좌측 제1자기재생기(112) 및 좌측 제2자기재생기(122)로 이동하여 좌측 제1자기재생기(112) 및 좌측 제2자기재생기(122)에 자기장을 인가하고, 우측 제1자기재생기(114) 및 우측 제2자기재생기(124)에 자기장이 제거되면, 좌측 제1자기재생기(112)에 수용된 제1자기(磁氣)열재료(171)와 좌측 제2자기재생기(122)에 수용된 제2자기(磁氣)열재료(172)는 열을 생성하고, 우측 제1자기재생기(114)에 수용된 제1자기(磁氣)열재료(171)와 우측 제2자기재생기(124)에 수용된 제2자기(磁氣)열재료(172)는 열을 흡수한다. 제1열전달유체(F1)과 제2열전달유체(F2)는 제1유체이송장치(191)와 제2유체이송장치(192)에 의해 시계방향으로 이송된다.
좌측 제1자기재생기(112)에서 생성된 열은 제1열전달유체(F1)에 흡수되고 시계 방향으로 이동하는 제1열전달유체(F1)를 통해 고온측열교환기(Hot-side heat-exchanger)(140)로 전달되어 방출된다. 이와 동시에 제1열전달유체(F1)는 우측 제1자기재생기(114)에서 열을 빼앗기며, 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)(160)에서 제2열전달유체(F2)와의 열교환을 통해 열을 흡수한다.
좌측 제2자기재생기(122)에서 생생된 열은 제2열전달유체(F2)에 흡수되고 시계 방향으로 이동하는 제2열전달유체(F2)를 통해 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)(160)로 전달되고 제1열전달유체(F1)와의 열교환을 통해 방출된다. 이와 동시에 제2열전달유체(F2)는 우측 제2자기재생기(124)에서 열을 빼앗기며, 저온측열교환기(Cold-side heat-exchanger)(150)에서 열을 흡수한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 마그네트(130)가 우측 제1자기재생기(114) 및 우측 제2자기재생기(124)로 이동하여 우측 제1자기재생기(114) 및 우측 제2자기재생기(124)에 자기장을 인가하고, 좌측 제1자기재생기(112) 및 좌측 제2자기재생기(122)에 자기장이 제거되면, 우측 제1자기재생기(114)에 수용된 제1자기(磁氣)열재료(171)와 우측 제2자기재생기(124)에 수용된 제2자기(磁氣)열재료(172)는 열을 생성하고, 좌측 제1자기재생기(112)에 수용된 제1자기(磁氣)열재료(171)와 좌측 제2자기재생기(122)에 수용된 제2자기(磁氣)열재료(172)는 열을 흡수한다. 제1열전달유체(F1)과 제2열전달유체(F2)는 제1유체이송장치(191)와 제2유체이송장치(192)에 의해 반시계방향으로 이송된다.
우측 제1자기재생기(114)에서 생생된 열은 제1열전달유체(F1)에 흡수되고 반시계 방향으로 이동하는 제1열전달유체(F1)를 통해 고온측열교환기(Hot-side heat-exchanger)(140)로 전달되어 방출된다. 이와 동시에 제1열전달유체(F1)는 좌측 제1자기재생기(112)에서 열을 빼앗기며, 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)(160)에서 제2열전달유체(F2)와의 열교환을 통해 열을 흡수한다.
우측 제2자기재생기(124)에서 발생된 열은 제2열전달유체(F2)에 흡수되고 반시계 방향으로 이동하는 제2열전달유체(F2)를 통해 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)(160)로 전달되고 제1열전달유체(F1)와의 열교환을 통해 방출된다. 동시에 제2열전달유체(F2)는 좌측 제2자기재생기(122)에서 열을 빼앗기며, 저온측열교환기(Cold-side heat-exchanger)(150)에서 열을 흡수한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 좌측 제1자기재생기(112)에서 발생된 열을 흡수한 제1열전달유체(F1)는 시계 방향으로 이송되면서 좌측 제1자기재생기(112)의 타단(112b)으로부터 좌측 제1자기재생기(112)의 일단(112a)으로 열을 전달한다. 마찬가지로, 도 6에 도시된 바와 같이, 좌측 제1자기재생기(112)에 열을 빼앗긴 제1열전달유체(F1)는 좌측 제1자기재생기(112)의 일단(112a)으로부터 좌측 제1자기재생기(112)의 타단(112b)을 향하여 반시계 방향으로 이송되면서 좌측 제1자기재생기(112)의 타단(112b)의 온도를 낮추므로 좌측 제1자기재생기(112)의 일단(112a)에는 고온부(112a)가 형성되고, 좌측 제1자기재생기(112)의 타단(112b)에는 고온부(112a)보다 상대적으로 온도가 낮은 저온부(112b)가 형성된다.
이와 같은 원리는 우측 제1자기재생기(114) 및 제2자기재생기들(122, 124)에도 동일하게 적용된다. 따라서 마그네트(130)가 왕복 이동하는 과정 및 제1열전달유체(F1)와 제2열전달유체(F2)가 왕복 이송되는 과정이 반복되면, 제1자기재생기들(112, 114)의 양단에는 고온부(112a, 114a) 및 저온부(112b, 114b)가 형성되고, 제2자기재생기들(122, 124)의 양단에도 고온부(122a, 124a) 및 저온부(122b, 124b)가 형성된다.
제1자기(磁氣)열재료(171)는 제1온도구간(R1, R1 : TL1 ~ TH1)에서 발열 또는 흡열하고, 제2자기(磁氣)열재료(172)는 제2온도구간(R2, R2 : TL2 ~ TH2)에서 발열 또는 흡열하므로, 도 7에 도시된 바와 같이 시간(t)이 지남에 따라 자기냉각장치(100)가 정상상태(Steady state)에 도달하면, 제1자기재생기들(112, 114)의 고온부(112a, 114a)의 온도는 제1자기(磁氣)열재료(171)가 발열 또는 흡열할 수 있는 최대온도(TH1)와 같아지며, 제2자기재생기들(122, 124)의 저온부(122b, 124b)의 온도는 제2자기(磁氣)열재료(172)가 발열 또는 흡열할 수 있는 최소온도(TL2)와 같아진다. 또한, 제1자기재생기들(112, 114)의 저온부(112b, 114b)와 제2자기재생기들(122, 124)의 고온부(122a, 124a)는 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)(160)를 통해 항상 열교환하므로, 정상상태(Steady state)에서 제1자기재생기들(112, 114)의 저온부(112b, 114b)의 온도와 제2자기재생기들(122, 124)의 고온부(122a, 124a)의 온도는 'TM'으로 서로 같아진다.
자기냉각장치(100)는 서로 다른 열전달유체 및 자기열재료를 사용하는 제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생유닛(120)이 서로 열교환하는 구조를 가진다. 따라서 자기냉각장치(100)는 도 7에 도시된 바와 같이, 단일의 제1자기재생유닛(110)의 고온부와 저온부 사이의 온도 차이(ΔT1) 또는 단일의 제2자기재생유닛(110)의 고온부와 저온부 사이의 온도 차이(ΔT2) 보다 큰 온도 차이(ΔT3)를 형성할 수 있으므로, 냉각성능이 향상된다.
제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생유닛(120)은 서로 독립적으로 제어될 수 있다. 즉, 제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생유닛(120)을 동시에 작동시키거나, 제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생유닛(120)을 시간차를 두고 작동시킬 수 있다. 제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생유닛(120)을 동시에 작동시킬 경우, 제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생유닛(120)이 동시에 정상상태에 도달하게 되며, 제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생유닛(120)을 시간차를 두고 작동시킬 경우, 제1자기재생유닛(110)이 먼저 정상상태에 도달하게 되고, 제2자기재생유닛(120)이 나중에 정상상태에 도달하게 된다.
이상에서는 자기냉각장치(100)가 서로 독립적인 제1자기재생유닛(110)과 제2자기재생유닛(120)을 가지는 구조에 대해 설명하였으나, 고온부와 저온부 사이의 온도 차이를 키워 냉각성능을 향상시키기 위해 자기냉각장치(100)가 독립적인 세 개 이상의 자기재생유닛들을 가지는 구조도 가능하다.
도 8은 자기재생기들에 온도제어소자가 결합된 모습을 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 자기냉각장치(100)는 온도제어소자들(101, 102)을 더 포함할 수 있다. 온도제어소자들(101, 102)은 제1자기재생기들(112, 114)의 외면에 결합되는 제1온도제어소자들(101)과, 제2자기재생기들(122, 124)의 외면에 결합되는 제2온도제어소자들(102)로 구성된다. 제1온도제어소자들(101)과 제2온도제어소자들(102)은 펠티어 소자(Pelier element)로 마련될 수 있다.
제1자기(磁氣)열재료(171)와 제2자기(磁氣)열재료(172)는 도 4에 도시된 바와 같이 발열 또는 흡열하는 온도 구간에서 항상 일정한 발열 또는 흡열량을 나타내지 않는다. 제1자기(磁氣)열재료(171)는 제1퀴리(Curie)온도(TC1)에서 발열 또는 흡열량이 최대가 되며, 제1퀴리(Curie)온도(TC1)에서 멀어질수록 제1자기(磁氣)열재료(171)의 발열 또는 흡열량은 점차 낮아진다. 제2자기(磁氣)열재료(172)는 제2퀴리(Curie)온도(TC2)에서 발열 또는 흡열량이 최대가 되며, 제2퀴리(Curie)온도(TC2)에서 멀어질수록 제2자기(磁氣)열재료(172)의 발열 또는 흡열량은 점차 낮아진다.
제1온도제어소자들(101)은 자기냉각장치(100)의 작동 초기에 구동되어 제1자기(磁氣)열재료(171)의 발열 또는 흡열량이 최대로 되는 제1퀴리(Curie)온도(TC1)를 강제로 형성함으로써, 제1자기재생유닛(110)이 정상상태에 도달하는 시간을 단축시킨다. 마찬가지로, 제2온도제어소자들(102)은 자기냉각장치(100)의 작동 초기에 구동되어 제2자기(磁氣)열재료(172)의 발열 또는 흡열량이 최대로 되는 제2퀴리(Curie)온도(TC2)를 강제로 형성함으로써, 제2자기재생유닛(120)이 정상상태에 도달하는 시간을 단축시킨다.
제1온도제어소자들(101)과 제2온도제어소자들(102)은 제1퀴리(Curie)온도(TC1) 및 제2퀴리(Curie)온도(TC2)와, 자기냉각장치(100) 구동 초기의 제1자기(磁氣)열재료(171) 및 제2자기(磁氣)열재료(172) 주위의 온도 사이의 관계에 따라 발열하거나 흡열할 수 있다.
예를 들어 자기냉각장치(100) 구동 초기의 제1자기(磁氣)열재료(171) 및 제2자기(磁氣)열재료(172) 주위의 온도가 상온이고, 제1퀴리(Curie)온도(TC1)가 상온보다 높고, 제2퀴리(Curie)온도(TC2)가 상온보다 낮은 경우, 제1온도제어소자들(101)은 제1자기(磁氣)열재료(171) 주위의 온도가 제1퀴리(Curie)온도(TC1)가 되도록 발열하고, 제2온도제어소자들(102)은 제2자기(磁氣)열재료(172) 주위의 온도가 제2퀴리(Curie)온도(TC2)가 되도록 흡열한다.
100: 자기냉각장치
101: 제1온도제어소자
102: 제2온도제어소자
110: 제1자기재생유닛
112, 114 : 제1자기재생기
120: 제2자기재생유닛
122, 124: 제2자기재생기
130: 마그네트
140: 고온측열교환기(Hot-side heat-exchanger)
150: 저온측열교환기(Cold-side heat-exchanger)
160: 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger)
171: 제1자기(磁氣)열재료
172: 제2자기(磁氣)열재료
181: 제1이송관
182: 제2이송관
183: 제3이송관
191: 제1유체이송장치
192: 제2유체이송장치

Claims (20)

  1. 제1열전달유체를 통과시키며, 제1자기(磁氣)열재료를 포함하는 복수의 제1자기재생기들;과,
    상기 제1열전달유체보다 상대적으로 어는 점이 낮은 제2열전달유체를 통과시키며, 상기 제1자기열재료보다 상대적으로 퀴리(Curie)온도가 낮은 제2자기열재료를 포함하는 복수의 제2자기재생기들;과,
    상기 복수의 제1자기재생기들과 상기 복수의 제2자기재생기들에 자기장을 인가하거나 제거하는 적어도 하나의 마그네트;와,
    상기 복수의 제1자기재생기들로부터 열을 전달받은 상기 제1열전달유체가 방열하는 적어도 하나의 고온측열교환기(Hot-side heat-exchanger);와,
    상기 복수의 제2자기재생기로 열을 전달한 상기 제2열전달유체가 흡열하는 적어도 하나의 저온측열교환기(Cold-side heat-exchanger);와,
    상기 복수의 제1자기재생기들의 저온부 사이를 흐르는 상기 제1열전달유체와 상기 복수의 제2자기재생기들의 고온부를 통과한 상기 제2열전달유체가 서로 열교환하는 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger);를
    포함하는 자기냉각장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 제1자기재생기들 사이에서 상기 제1열전달유체를 서로 반대되는 제1방향과 제2방향으로 왕복 이송시키는 제1유체이송장치와,
    상기 복수의 제2자기재생기들 사이에서 상기 제2열전달유체를 서로 반대되는 제1방향과 제2방향으로 왕복 이송시키는 제2유체이송장치를 포함하는 자기냉각장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 중간열교환기에서 상기 제1열전달유체와 상기 제2열전달유체는 서로 반대되는 방향으로 이송되는 자기냉각장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 제1자기재생기들은 서로 나란하게 배치되는 한 쌍으로 구성되고, 상기 복수의 제2자기재생기들은 서로 나란하게 배치되는 한 쌍으로 구성되며,
    상기 한 쌍의 제1자기재생기들 중 어느 하나와 상기 한 쌍의 제2자기재생기들 중 어느 하나는 일렬로 배치되고, 상기 한 쌍의 제1자기재생기들 중 다른 하나와 상기 한 쌍의 제2자기재생기들 중 다른 하나는 일렬로 배치되는 자기냉각장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 마그네트는 일렬로 배치된 상기 제1자기재생기와 상기 제2자기재생기에 동시에 자기장을 가하거나 제거하는 자기냉각장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    일렬로 배치된 상기 제1자기재생기와 상기 제2자기재생기에 동시에 자기장이 가해지면 상기 제1열전달유체는 제1방향으로 이송되고,
    일렬로 배치된 상기 제1자기재생기와 상기 제2자기재생기에 동시에 자기장이 제거되면 상기 제1열전달유체는 제1방향과 반대되는 제2방향으로 이송되는 자기냉각장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1자기재생기는,
    상기 제1자기열재료가 수용되는 수용부와,
    상기 제1열전달유체가 상기 수용부의 내측으로 유입될 수 있도록 상기 수용부의 양단과 연통되는 커넥팅부와,
    상기 제1자기재생기의 외부와 상기 수용부 사이의 열교환이 저감되도록 상기 수용부를 감싸는 적어도 하나의 단열부를 포함하는 자기냉각장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 단열부는 폴리머층, 폴리스티렌층, 진공층 및 공기층 중 적어도 하나로 마련되는 자기냉각장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 커넥팅부는 폴리머, 폴리스티렌 중 적어도 하나의 재질로 형성되는 자기냉각장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1자기재생기의 외면에 결합되어 상기 제1자기열재료에 열을 가하는 제1온도제어소자와,
    상기 제2자기재생기의 외면에 결합되어 상기 제2자기열재료의 열을 흡수하는 제2온도제어소자를 포함하는 자기냉각장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1온도제어소자와 상기 제2온도제어소자는 펠티어 소자(Pelier element)인 자기냉각장치.
  12. 제1자기(磁氣)열재료를 포함하는 복수의 제1자기재생기들을 가지는 제1자기재생유닛;과,
    상기 제1자기열재료와 퀴리온도가 다른 제2자기열재료를 포함하는 복수의 제2자기재생기들을 가지는 제2자기재생유닛;과,
    상기 복수의 제1자기재생기들과 상기 복수의 제2자기재생기들에 자기장을 인가하거나 제거하는 적어도 하나의 마그네트;와,
    상기 제1열전달유체와 상기 제2열전달유체가 열교환을 수행할 수 있도록 상기 제1자기재생유닛과 상기 제2자기재생유닛 사이에 배치되는 중간열교환기(Intermediate heat-exchanger);를
    포함하는 자기냉각장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 중간열교환기는 상기 제1자기재생유닛의 저온부와 상기 제2자기재생유닛의 고온부 사이에 배치되는 자기냉각장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제1자기재생유닛과 상기 제2자기재생유닛은 서로 독립적으로 제어되는 자기냉각장치.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 제1열전달유체와 상기 제2열전달유체는 서로 반대되는 방향으로 이송되는 자기냉각장치.
  16. 열전달유체가 흐르는 자기재생기와, 상기 자기재생기에 자기장을 인가하거나 제거하는 마그네트를 포함하는 자기냉각장치에 있어서, 상기 자기재생기는,
    자기장이 인가되면 발열하고 자기장이 제거되면 흡열하는 자기열재료가 수용되는 수용부;와,
    상기 열전달유체가 상기 수용부의 내측으로 유입될 수 있도록 상기 수용부의 양단과 연통되는 커넥팅부;와,
    상기 자기재생기의 외부와 상기 수용부 사이의 열교환이 저감되도록 상기 수용부를 감싸는 적어도 하나의 단열부;를 포함하는 자기냉각장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 단열부는 폴리머층, 폴리스티렌층, 진공층 및 공기층 중 적어도 하나로 마련되는 자기냉각장치.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 커넥팅부는 폴리머, 폴리스티렌 중 적어도 하나의 재질로 형성되는 자기냉각장치.
  19. 열전달유체가 흐르는 자기재생기와, 상기 자기재생기에 자기장을 인가하거나 제거하는 마그네트를 포함하는 자기냉각장치에 있어서, 상기 자기재생기는,
    몸체;와,
    상기 몸체의 내측에 형성되어 자기장이 인가되면 발열하고 자기장이 제거되면 흡열하는 자기열재료를 수용하는 수용부와,
    상기 몸체의 외면에 결합되어 상기 자기열재료에 열을 가하거나 상기 자기열재료의 열을 흡수하는 적어도 하나의 온도제어소자를 포함하는 자기냉각장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 온도제어소자는 펠티어 소자(Pelier element)인 자기냉각장치.
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