KR20150132110A - 열교환 기구 - Google Patents

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KR20150132110A
KR20150132110A KR1020157022484A KR20157022484A KR20150132110A KR 20150132110 A KR20150132110 A KR 20150132110A KR 1020157022484 A KR1020157022484 A KR 1020157022484A KR 20157022484 A KR20157022484 A KR 20157022484A KR 20150132110 A KR20150132110 A KR 20150132110A
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heat exchange
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KR1020157022484A
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크리스티앙 뮐러
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쿨테크 어플리케이션즈 에스.에이.에스.
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Abstract

본 발명은 일차 유체로 불리는 열전달 유체가 작동 장치에 의해 왕복 운동으로 이동하는 적어도 하나의 일차 회로(P1), 및 이차 회로(S1,1, S1,2)에서 단방향으로 순환하는 이차 유체와 일차 유체 사이에 적어도 하나의 열교환 인터페이스(I1,1, I1,2)를 포함하는 열교환 기구(1)에 관한 것으로, 상기 인터페이스(I1,1, I1,2)는 일차 유체 및 이차 유체가 한쪽 방향으로 유동하되 서로에 대해서는 반대 방향으로 유동하도록 구성된 적어도 하나의 열교환 영역(ZN, ZN,N+1, Z'N, Z'N+1)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환 기구{THERMAL APPARATUS}
본 발명은, 열에너지가 생성되는 코어 장치를 포함하고, 일차 유체(primary fluid)로 불리는 열전달 유체가 순환하는 적어도 하나의 일차 회로(primary circuit)를 포함하며, 상기 일차 유체는 작동 장치(displacement device)에 의해 왕복운동으로 기구 내에서 이동하도록 구성되고, 이차 회로(secondary circuit) 내에서 단방향으로 순환하는 이차 유체(secondary fluid)와 일차 유체와의 사이에 적어도 하나의 열교환 인터페이스(heat exchange interface)를 포함하는 열교환 기구(thermal apparatus)에 관한 것이다.
열교환 기구는 외부 적용 유체와의 열교환에 의해 생산되는 열에너지를 교환할 수 있어야 한다. 이러한 교환은 일반적으로 바람직하게는 최적의 열 교환을 수행하기 위해 디자인된 열 교환기에 의해 구현된다. 일차 유체, 즉 열교환 기구에 의해 생산된 열에너지를 전송하기 위한 열전달 유체가 왕복 운동 또는 교차 운동으로 이동하도록 구성된 열교환 기구의 경우, 일차 유체의 유동 방향의 변화로 인해, 일차 유체와 외부 적용 유체 또는 이차 유체간의 열교환 효율에 문제가 발생할 수 있으며, 때로는 서로 반대 방향(countercurrent)의 상태에서 때로는 같은 방향(co-current)의 상태에서 열교환을 발생시킴으로써 최적화 상태로 구현되지 않을 수 있다.
본 발명의 목적상, 왕복 또는 교차 운동은 유동 방향에 있어 일정한 변화를 갖는 운동, 즉 전후로의 이동을 말한다. 본 발명은 특히, 열 구배를 설정하기 위해 일차 유체를 자기 열량 물질(magnetocaloric material)을 통해 왕복 운동으로 이동하도록 구성된 자기 열량 열교환 기구에 관한 것이다.
이러한 열교환 기구는 자기장의 영향하에서 그들의 온도가 변화되는 특정 물질에 대한 자기 열량 효과(magnetocaloric effect, MCE)를 이용하는 것을 특징으로 한다. 이러한 기구에서, 자기 열량 물질은 연속적인 자화(magnetization) 및 자기 소화(magnetization and demagnetization) 단계에 놓여 있으며, 열교환이 일차 열전달 유체에 의해 수행되도록 함으로써, 이러한 물질에서 가능한 한 가장 넓은 온도 변화(온도 구배)를 구현할 수 있도록 구성된다. 이를 위해, 일차 유체의 순환은 교차되며, 이러한 일차 유체는 자기 열량 물질을 관통하는 채널 또는 구멍들 내에서 순환한다. 자기 열량 주기(magnetocaloric cycle)는 자화 단계 및 자기 소화 단계를 포함하며, 이의 의해 모든 단계에서 이용 가능한 에너지로 변환된다. 이 주기는 수 헤르츠의 주파수까지 반복된다. 이러한 자화 단계에서, 일차 유체는 물질을 거쳐 유동하며, 이른바 자화 단계에서 물질과 접촉하여 가열되거나 또는 이른바 자기 소화 단계에서 물질과 접촉하여 냉각되도록 구성된다.
따라서, 왕복 일차 유동을 이용하는 열교환 기구에 있어서, 이차 유체와의 열교환은 유동 방향 변화에 대한 주파수뿐만 아니라 일차 유체의 온도에 따라 크게 좌우된다. 이러한 현상은 자기 열량 열교환 기구(magnetocaloric thermal apparatus)에서 증폭되는데, 운동하는 열전달 유체는 가열중인 자기 열량 물질과 열교환을 수행하거나 또는 냉각중인 자기 열량 물질과 열교환을 수행하도록 구성된다. 일차 유체는 전후로 이동하고 그 온도는 교환기(들) 내에서 평균화되기 때문에, 필연적으로 열교환 기구의 효율에 있어 손실을 유발한다.
또한, 자화 및 일차 유체의 유동 방향의 변화에 있어서 주파수가 증가하는 경우, 자기 열량 열교환 기구에 의해 제공될 책임이 있는 열적 출력(예컨대 냉각) 도 또한 증가한다. 이때 교환 시간이 감소됨에 따라, 이러한 주파수는 일차 유체와 이차 유체간의 열교환에 있어 부정적인 영향을 미치는 한편, 이에 따라 열교환 기구의 효율 감소를 초래한다.
따라서 열교환 기구의 활용을 최대화 하기 위해서는, 일차 유체와 이차 유체간에 개선되고 최적화되며 가능한 한 오랜 시간 동안 일정한 열교환 특성을 갖도록 하는 것이 필요하다. 설명한 바와 같이, 일차 유체의 순차 왕복 및 불연속 운동을 사용하는 일차 회로의 경우에, 열교환 기구의 일차 유체와 이차 유체의 열교환을 제어하는 것은 과제가 될 수 있다.
본 발명은 일차 유체와 외부 적용(들) 유체 사이의 열 에너지 전달을 최적화하도록 제조된 열교환 기구를 이용하여 상술한 문제에 대한 해결책을 제시함으로써 이들 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 위해, 본 발명은 상기 서론에서 언급한 종류의 열교환 기구에 관한 것으로, 상기 일차 회로는 상기 열교환 기구 코어의 출구에 위치한 분기 지점들(division points)에서 다수의 단방향 일차 회로부들(unidirectional primary circuit portions)로 분리됨으로써, 일차 유체의 모든 유동 방향 변화에 있어, 단방향 일차 회로의 일부 또는 다른 대응부에서 이동하도록 구성되고, 단방향 일차 회로의 모든 부분들은 두개의 분기 지점들에 의해 구분되며, 상기 인터페이스는 두개의 분기 지점들 사이에 배치되고, 일차 유체 및 이차 유체가 한쪽 방향으로 유동하되 서로에 대해서는 반대방향으로 유동하도록 구성된 적어도 하나의 열교환 영역(heat exchange zone)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
내부에서 유체가 열교환을 수행하는 열교환 영역의 제공에 의해, 즉 일차 유체와 이차 유체가 두개의 반대 방향 또는 역방향으로 이동함으로써, 상기 열교환 영역에서 보다 나은 에너지 전달을 구현하고 이에 따라 일차 유체 및 이차 유체의 온도 수렴이 더 잘 될 수 있도록 구성된다.
본 발명에 따르면, 상기 작동 장치는 유체가 두개의 반대 방향으로 교차 이동하는 상기 일차 회로의 섹션으로 통합될 수 있다.
상기 목적을 위해, 상기 작동 장치는 상기 열교환 기구의 코어(core)로 통합될 수 있다.
본 발명에 따르면 상기 일차 회로는, 상기 일차 유체의 단방향 유동의 흐름을 이러한 부분들로 보내도록 특성화된, 일차 유체의 유동 방향을 제어하기 위한 장치가 제공되는 단방향 일차 회로부들을 포함할 수 있다.
이러한 특성화는 체크 밸브 타입의 제어 장치에 의해 구현 가능하거나 또는, 전기적으로 제어되거나 또는 압력 차이에 의해 제어되는 유압 밸브 등과 같이 유체를 한쪽 방향으로만 통과시키도록 구성된 동일한 기능을 수행할 수 있는 임의의 다른 유사 장치에 의해서도 구현될 수 있다.
상기 인터페이스의 교환 영역중 적어도 하나는 바람직하게는 상기 단방향 일차 회로부 중 적어도 하나를 포함한다. 이는 인터페이스의 교환 영역에 존재하는 단방향 일차 회로부의 수에 따라 달라지며, 따라서 교환될 필요가 있는 열에너지의 양을 가능한 한 모듈화하는 것이 바람직하다.
상기 일차 회로는 바람직하게는 적어도 두개의 단방향 일차 회로부로 분리될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 각 단방향 일차 회로부는 열교환 영역에 적어도 부분적으로 통합될 수 있다.
변형 예로서, 상기 단방향 일차 회로부들 중 적어도 하나는 열교환 영역에 적어도 부분적으로 통합되지 않을 수 있다.
또 다른 변형 예로서, 상기 열교환 영역은 상기 단방향 일차 회로의 다수 부분들이 함께 모이는 적어도 하나의 공통 단방향 일차 회로부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 교환 인터페이스는 동일한 이차 회로의 다수 부분들을 포함할 수 있다.
변형 예로서, 상기 교환 인터페이스는 다수의 이차 회로의 부분들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열교환 기구는 다수의 일차 회로들을 포함하며, 상기 열교환 영역은 상기 일차 회로들의 일차 유체들이 함께 모이는 적어도 일부의 공통 단방향 일차 회로부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열교환 기구는 또한 상기 기구의 코어를 형성하는 자기 열량 부재(magnetocaloric element)를 포함할 수 있으며, 이를 통해 상기 일차 유체가 통과하고, 자기 장치(magnetic arrangement)를 작동시켜 상기 자기 열량 부재의 자기장 변화가 교차되도록 구성함으로써, 상기 자기 열량 부재에서 가열 단계 및 냉각 단계를 교차로 생성할 수 있다.
상기 분기 지점은 바람직하게는 상기 자기 열량 부재의 일차 유체의 출구 영역에 배치될 수 있다.
본 발명에 의해, 교차되는 초기 운동을 갖는 일차 유체 및 단방향의 지속적인 운동을 갖는 이차 유체 간의 열교환 효율을 개선 가능한 열교환 기구가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 열교환 기구는 난방, 냉방, 템퍼링(tempering), 냉각 또는 기타 분야에서 산업용은 물론 가정용으로 경쟁력 있는 가격으로 제공 가능하며 및 적은 공간으로도 제공 가능하다.
본 발명과 그 장점들은 첨부된 도면들을 참조함과 동시에, 비제한적인 예로써 주어진 다음의 여러 실시예들의 설명에서 보다 잘 드러날 것이다:
도 1은 제 1실시예에 따른 열교환 기구의 개략도이다;
도 2는 제 2실시예에 따른 열교환 기구의 개략도이다;
도 3은 제 3실시예에 따른 열교환 기구의 개략도이다;
도 4는 제 4실시예에 따른 열교환 기구의 개략도이다;
도 5는 제 5실시예에 따른 열교환 기구의 개략도이다;
도 6은 제 6실시예에 따른 열교환 기구의 흡열부(cold side)에 대한 개략도이다;
도 7은 제 7실시예에 따른 열교환 기구의 흡열부에 대한 개략도이다; 및
도 8은 제 8실시예에 따른 열교환 기구의 흡열부에 대한 개략도이다.
도시된 실시예에서, 동일한 구성요소들 또는 부품은 동일한 참조 부호로 표기된다.
본 발명은 특정 유형의 열교환 기구로 제한되지 않는다. 본 발명은 기구의 열에너지를 전달하고 이를 열교환에 의해 단일 운동 방향을 가진 이차 유체로 불리는 다른 열전달 유체로 전달하도록 의도된 왕복 운동에 따라 이동하는 열전달 유체 또는 일차 유체를 포함하는 열교환 기구에 관한 것이다. 일차 유체 및 이차 유체는 바람직하게는 액체이다. 또한 이차 유체는 바람직하게는 펌프 또는 임의의 유사한 장치에 의해 지속적으로 이동하도록 구성된다.
도시된 열교환 기구(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70)는 일차 유체로 불리는 열전달 유체가 왕복 운동 또는 양방향 운동으로 순환하는 하나 또는 다수의 일차 회로(P1, P10, P10', P20, P30, P40, P50, P50', P60, P60', P70)를 포함하는 코어 장치(G1, G10, G20, G30, G40, G50, G60, G70)를 포함한다. 열에너지는 기구의 코어(G1, G10, G20, G30, G40, G50, G60, G70)에서 생성된다. 일차 유체는 일차 회로(P1, P10, P10', P20, P30, P40, P50, P50', P60, P60', P70) 내에서 두개의 대향 방향으로 일정한 전후 운동을 수행한다. 이러한 전후 운동은 예컨대, 일차 유체의 작동 장치(5)를 형성하는 복동 실린더(double-acting cylinder)의 피스톤에 의해 생성될 수 있다. 또한, 멤브레인과 같이, 일차 유체를 이동시킬 수 있는 임의의 다른 수단도 사용 가능하다. 또한, 피스톤 또는 유사한 장치의 운동은 캠(cam), 자기 장치, 선형 모터 또는 상기 피스톤의 전후 운동을 가능하게 하는 임의의 동등한 수단과 같은 작동 장치에 의해 제어될 수 있다. 첨부된 도면, 더욱 자세히는 도 1 및 5에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 상기 작동 장치(5)는 열교환 기구(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70)의 코어, 즉 유체가 양방향으로 유동하는 일차 유체의 섹션에 배치된다. 한편, 이러한 작동 장치의 근접 배치에 의해, 에너지가 생산되는 열교환 기구(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70)의 코어 내 수두 손실(head loss)을 감소시킴으로써, 열교환 기구(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70)의 효율을 개선시킬 수 있다. 한편, 이에 의해 또한 열교환 기구(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70)의 콤팩트화에 대한 개선도 가능하다. 작동 장치(5)는, 멤브레인과 같이 리기드(rigid) 또는 가요성(flexible) 피스톤과 연동되는 작동 캠을 포함할 수 있다. 예컨대, 본원에 참조로 인용되어 있는 출원인의 국제특허출원 공개번호 WO 2009/087310에 개시된 바와 같은 구성이 사용될 수 있다.
도 1의 도면 뿐만 아니라 다른 도면들에서도, 일차 회로(P1, P10, P10', P20, P30, P40, P50, P50', P60, P60', P70)는 매우 개략적으로 표시되어 있는데, 실제의 구성에서는 예컨대, 가스켓, 채널, 유체 확산 시스템 등과 같은 다른 도시되지 않은 요소들을 추가로 포함할 수 있다. 또한 첨부된 도면에서, 일차 회로(P1, P10, P10', P20, P30, P40, P50, P50', P60, P60', P70)는 항상 자체적으로 폐쇄된 상태로, 즉 루프를 형성하는 구성으로 도시되어 있다. 그러나 본 발명은 이러한 구성으로만 제한되지 않으며, 일차 회로(P1, P10, P10', P20, P30, P40, P50, P50', P60, P60', P70)는 자체적으로 폐쇄되지 않는 구성을 가질 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 열교환 기구는 동일한 구성 또는 상이한 구성을 가진 다수의 일차 회로들을 포함할 수 있다. 일차 회로(P1, P10, P10', P20, P30, P40, P50, P50', P60, P60', P70)는 바람직하게는 일정한 체적의 폐쇄된 구성을 가진다.
도 1 내지 8에 도시된 화살표는 열교환 기구(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70)의 일차 유체 및 이차 유체의 유동 방향을 나타낸다.
따라서, 도 1에 도시된 열교환 기구(1)를 참조하면, 일차 회로(P1)는 다수의 단방향 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1, P'1,N, P'1,N+1)를 포함한다. 열교환 기구(1)는 두개의 단방향 일차 회로부들(P'1,N, P'1,N+1)이 제공되는 도면 우측의 방열부(C1) 및 다른 두개의 단방향 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1)이 제공되는 도면 좌측의 흡열부(F1)를 포함한다. 각각의 단방향 일차 회로부(P1,N, P1,N+1, P'1,N, P'1,N+1)는 일차 유체의 유동 방향을 조절하기 위한 장치(2)를 포함한다. 이러한 장치들(2)은 예컨대 체크 밸브일 수 있다.
열교환 기구(1)는 흡열부(F1) 쪽에, 이차 유체가 순환하는 이차 회로(S1,1)의 일부 및 단방향 일차 회로부(P1,N, P1,N+1)가 통합되는 교환 회로들을 갖는 열교환기(heat exchanger)에 의해 형성되는 교환 인터페이스(I1,1)를 포함한다. 열교환 기구(1)는 일차 유체 및 이차 유체가 서로에 대해 반대 방향으로 흐르게 하는 열교환 영역(ZN, ZN+1, Z'N, Z'N+1)을 포함한다. 마찬가지로, 열교환 기구(1)는 방열부(C1) 쪽에, 이차 유체가 순환하는 이차 회로(S1,2)의 일부 및 단방향 일차 회로부(P'1,N, P'1,N+1)가 통합되는 교환 회로들을 갖는 열교환기에 의해 형성되는 교환 인터페이스(I1,2)를 포함한다. 본 발명에서는 이러한 열교환기들(I1,1, I1,2)의 구조적인 구성이 어떠한 것인지에 대해 명시하지 않는데, 이들은 플레이트 교환기(plate exchangers), 튜브형 교환기(tubular exchangers)일 수 있거나 또는 임의의 다른 종류의 열교환기일 수도 있다. 그러나 단방향 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1, P'1,N, P'1,N+1)과 이차 회로(S1,1, S1,2)의 일부는, 일차 유체와 이차 유체가 그 안에서 반대 방향으로 순환할 수 있도록, 각각의 열교환기와 연결되어야 한다. 이는 본 발명에서 특히, 일차 유체의 유동 방향을 조절하기 위한 장치(2)를 각각 포함하는 적어도 두개의 회로부들로 분리되는 열교환 기구(1)의 일차 회로(P1)에 의해 가능하며, 이에 의해 두개의 회로부에서 대향 유동 방향을 부여한다. 이에 따라, 상기 각각의 단방향 일차 회로부들에서 열전달 유체가 단방향 유동 흐름을 갖도록 할 수 있다. 또한 이에 의해, 단방향으로 유동하는 이차 유체와의 역방향 교환(countercurrent exchange)을 가능하게 하는 한편, 일차 회로와 이차 회로 간의 열전달 용량을 증가시킬 수 있다. 이러한 내용은 본 특허 출원에 도시된 모든 실시예들에 적용된다.
단방향 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1, P'1,N, P'1,N+1)은 일차 유체의 유동 방향이 반대인 페어부와 연결된다. 이러한 방법으로, 일차 유체는 회로부(P1,N, P'1,N)에서 하나의 고유 방향으로 유동하고, 다음 순환에서는 회로부(P1,N+1, P'1,N+1)에서 반대의 고유 방향으로 유동하도록 구성된다. 일차 회로(P1)의 잔여 부분에서, 일차 유체의 운동은 양쪽 유동 방향에서 전후 이동이 교차된다. 본 발명에 따른 단방향 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1, P'1,N, P'1,N+1)의 이러한 일차 유체의 흐름이 정류(rectification)됨으로써 이차 회로(S1,1, S1,2)에서 단방향으로 및 지속적으로 유동하는 이차 유체와의 역류 열교환을 용이하게 할 수 있다. 전술한 바와 같이 본 발명에서 이러한 역방향 열교환은, 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1, P'1,N, P'1,N+1)의 일부를 포함하거나 또는 일부와 통합되는 열교환 영역(ZN, ZN+1, Z'N, Z'N+1)에 의해 구현된다. 이러한 열교환 영역(ZN, ZN+1, Z'N, Z'N+1)은 예컨대, 일차 유체와 이차 유체가 반대 방향으로 유동하는 플레이트 교환기 또는 튜브형 교환기와 같은 열교환기에 의해 구체화될 수 있다. 또한, 열교환 영역은 모든 도시된 실시예들에서 교체 가능하며, 예컨대 단열 시트 또는 단열층을 개재하여 동 열교환 영역에서 서로 열적으로 절연되도록 구성될 수 있다.
모든 순환시 또는 일차 유체의 유동 방향 변화시, 후자인 경우 한쪽의 단방향 일차 회로부(P1,N, P'1,N) 또는 다른쪽의 단방향 일차 회로부(P1,N+1, P'1,N+1)에서 이동한다. 따라서, 모든 일차 유체, 즉 한쪽 순환 방향으로부터 유입되는 일차 유체뿐만 아니라 다른쪽으로부터 유입되는 일차 유체도 반대 방향으로 유동하는 이차 유체와 열교환을 수행할 수 있다. 이러한 내용은 모든 단방향 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1, P'1,N, P'1,N+1)에서 열교환 영역을 포함하고 있는 본 발명에 따른 모든 열교환 기구에 적용된다.
본 발명에 의해, 두개의 반대 방향으로 순차적으로 교차 운동하는 열교환 기구로부터 유입되는 일차 유체와 한쪽의 단일 방반향으로 유동하는 이차 유체간의 열교환은 열교환 영역(ZN, ZN+1, Z'N, Z'N+1)에서 최적화되며, 이때 일차 유체는 열교환 영역에서 정류하고(rectified) 한쪽의 단일 유동 방향으로(이차 유체에 대해서는 반대방향으로) 흐른다. 또한 열교환 영역(ZN, ZN+1, Z'N, Z'N+1, ZN,N+1, Z'N,N+1)의 증가에 의해, 일차 회로와 이차 회로 간의 열교환 용량을 증가시킴으로써, 열교환 기구(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70)와 외부 적용 회로 또는 이차 회로(S1,1, S1,2, S10,1, S10,2, S20,1, S20,2, S30,1, S30,2, S40,1,N, S40,1,N+1, S50,1, S60,1, S70,1, S70,2)와 연결된 장치와의 열교환 능력을 증대시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 열교환 기구(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70)에 의해, 열전달 유체가 왕복 운동으로 순환하는 일차 유체 및 열전달 유체가 단일 방향으로 순환하는 이차 유체간의 최적 열교환을 구현할 수 있다.
이러한 목표는 일차 유체의 특수한 배치에 의해 구현되며, 일차 유체는 분기 지점(D)에서 일차 유체가 한쪽의 단일 방향으로 유동하는 일차 회로부들로 분리되고, 이러한 단방향 일차 회로부들은 분기 지점들 사이에 배치된 교환 인터페이스(exchange interface)와 연관되며, 일차 유체 및 이차 유체는 서로에 대해 반대 방향으로 일정하게 유동하도록 구성된다.
이러한 배치에 의해 일차 회로와 이차 회로간의 열교환 용량을 증가시킴으로써, 열교환 기구의 코어 내에서 생성되는 최고의 에너지를 추출할 수 있다. 또한 바람직하게는, 교환 인터페이스(I1,1, I1,2, I10,1, I10,2, I20,1, I20,2, I30,1, I30,2, I40,1, I50,1, I60,1, I70,1, I70,2)는 두개의 분기 지점들과 직접 연결된 단방향 일차 회로부에 배치된다. 이에 의해 추가의 열교환을 최적화할 수 있는 한편, 특히 기구의 코어 내에 있지 않은 일차 유체의 체적을 감소시킬 수 있다.
도 2에 도시된 열교환 기구(10)는 두개의 폐쇄 분리된 유체 루프를 포함하는 일차 회로(P10, P10')의 구성이 상이한 것을 제외하고는 도 1의 기구와 동일하다. 본 기구는 도 1에 도시된 열교환 기구(1)를 참조하여 기재된 것과 동일한 구성 및 효과를 갖는다.
도 3에 도시된 열교환 기구(70)는 열교환 영역(ZN,N+1, Z'N,N+1)의 구성이 상이한 것을 제외하고는 도 1의 기구와 동일하다. 실제로는 단방향 일차 회로부들(P70,N 및 P70,N+1, P'70,N 및 P'70,N+1)은, 일차 유체가 일차 유체의 유동 방향을 조절하기 위한 장치(2)에 의해 단방향으로 유동하는 공통의 일차 회로부(PC)에서 조우한다. 바람직하게는, 이러한 공통부(PC) 내에 유동하는 일차 유체는 두개의 상응되는 단방향 일차 회로부들(P70,N 및 P70,N+1, P'70,N 및 P'70,N+1)로부터 및 따라서 각 순환으로부터 유입됨으로써, 이러한 일차 유체가 지속적으로 및 단방향으로 유동하게 할 수 있다. 따라서 일차 유체와 이차 유체 간의 열교환은 최적화된다. 각 순환으로부터 유입되는 유체는 동일한 교환기 회로로 향하도록 함으로써, 이에 의해 열교환 기구의 구조를 단순화시킬 수 있다.
흡열부(F70)에 위치한 열교환 인터페이스(I70,1)는, 이차 유체가 유동하는 이차 회로(S70,1)의 일부 및 단방향 일차 회로부들(P70,N, P70,N+1)의 공통부(PC)가 통합되는 교환 회로를 갖는 열 교환기(heat exchanger)에 의해 생성된다. 이러한 교환 인터페이스(I70,1)에서, 일차 및 이차 유체는 두개의 반대 방향으로 유동한다. 이는 방열부(C70)에 위치한 교환 인터페이스(I70,2)에도 동일하게 적용된다. 이러한 실시예에서는 크기를 감소시킬 수 있는 한편, 단 하나의 일차 회로부, 즉 공통부(PC) 만으로 이차 회로(S70,1, S70,2)와의 열교환을 수행할 수 있으므로 특히, 바람직하다. 또한 이러한 열교환은 모든 순환시 또는 일차 유체의 유동 방향 변화시 수행된다.
도 4에 도시된 열교환 기구(20)는 자기 열량 열교환 기구(magnetocaloric thermal apparatus)로서, 도 1의 열교환 기구와 비교하여, 이른바 자기 열량 효과 물질(magnetocaloric effect materials)의 자기 열량 효과를 활용함으로써, 열교환 기구(20)의 코어(G20)에서 열에너지를 획득한다. 도시된 열교환 기구(20)는 이를 위해 적어도 두개의 자기 열량 부재(3, 개략적으로 도시됨)를 포함하며, 이를 통해 일차 회로(P20)의 일차 유체가 유동하도록 구성된다.
모든 자기 열량 부재(3)는 일차 유체가 유동할 수 있는 하나 또는 다수의 자기 열량 물질로 제조될 수 있다. 이를 위해, 상기 자기 열량 물질은 유체의 통로를 형성하기 위해 다공성으로 구성될 수 있다. 자기 열량 물질은 또한 미니 또는 마이크로 채널이 기계 가공에 의해 형성된 속이 찬 블럭(solid block)의 형태를 가질 수 있거나 또는 사이에서 열전달 유체가 유동할 수 있는 아마도 홈이 있는 플레이트들의 중첩 조립체로 제조될 수 있다. 자기 열량 물질은 또한 분말 또는 입자의 형태를 가짐으로써, 그 갭에 의해 유체의 통로를 형성하도록 구성될 수 있다. 일차 유체가 모든 자기 열량 부재(3)와 열교환을 수행할 수 있도록 구성된 임의의 다른 실시예도 또한 적합할 수 있다. 특수한 구성에 따라서는 일차 유체가 유동하지 않는 블레이드(blade)의 형태를 가진 자기 열량 부재를 포함할 수 있으나, 이러한 구성에서는 블레이드가 이러한 블레이드의 상단 및 하단 표면에서 두개의 반대 방향으로 순환하고 있는 상기 일차 유체와 접촉함으로써, 일차 유체가 이러한 블레이드를 포함하는 열전도 모듈의 단부를 형성하는 블레이드의 단부들 중 한곳에서 언제든지 빠져나갈 수 있도록 구성된다. 자기 열량 부재들은 일차 유체의 통로 채널을 형성하도록, 이들 사이에 공간을 가진 적층 블레이드의 형태로 된 자기 열량 물질을 포함하는 디스크(disk)의 형상으로 구성될 수 있다.
영구 자석을 포함하는 자기 장치(4)를 자기 열량 부재(3)에 대해 이동시킴으로써, 이들의 자기장을 교차로 변화시키고 자기 열량 부재(3) 내에서 가열 단계 및 냉각 단계를 교차로 형성하도록 구성된다. 이러한 자기 장치(4)는 또한 순차로 구동되는 전자석 또는 자기장 변화를 일으키기 쉬운 어떤 다른 유사한 수단의 형태를 가질 수 있다. 일차 회로(P20)의 일차 유체에 대한 유동 방향 변화는 자기 열량 부재(3)의 자화 및 자기 소화 단계와 동기화됨으로써, 상기 자기 열량 물질 내의 열적 구배를 설정할 수 있도록 구성된다.
이러한 유형의 자기 열량 열교환 기구(20)는 또한 도 4의 좌측 및 우측에 각각 위치하는 흡열부(F20) 및 방열부(C20)를 포함한다. 일차 회로(P20)는 흡열부(F20)에서 두개의 단방향 일차 회로부(P20,N, P20,N+1)로 분리되고, 방열부(C20)에서 두개의 또다른 단방향 일차 회로부(P'20,N, P'20,N+1)로 분리된다. 흡열부 및 방열부의 열교환 인터페이스(I20,1 및 I20,2)는 일차 유체 및 이차 유체 사이의 최적화된 열교환을 수행할 수 있도록 하기 위한 것으로, 일차 유체 및 이차 유체는 단방향 일차 회로부들(P20,N, P20,N+1, P'20,N, P'20,N+1) 내에서 유동 방향을 조절하기 위한 장치(2)에 의해 이들 내에서 서로 반대 방향으로 유동한다. 따라서, 일차 유체의 유동 방향과 상관없이 모든 자화 단계에서, 인터페이스(I20,1 및 I20,2) 내의 열교환은 반대 방향으로 일정하게 수행된다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 모든 열교환 기구(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60)에 있어서, 다수의 단방향 일차 회로부(P1,N, P1,N+1, P10,N, P10,N+1, P20,N, P20,N+1, P30,N, P30,N+1, P40,N, P40,N+1, P50,N, P50,N+1, P60,N, P60,N+1)로 구성된 일차 회로의 분기 지점(D)은 열교환 기구(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60)의 코어(G1, G10, G20, G30, G40, G50, G60), 즉 일차 유체에 열에너지가 부과되는 열교환 기구의 영역(들)에 최대한 가깝게 위치한다. 이에 의해, 일차 유체가 교차로 유동하는 회로의 부분들에 위치한 일차 유체의 이른바 데드 볼륨(dead volume)을 줄일 수 있다. 도 4 및 도 5의 자기 열량 열교환 기구(20, 30)의 경우, 이러한 영역은 일차 유체가 자기 열량 부재(3)를 빠져나오는 영역과 이상적으로 일치한다.
도 5에 도시된 열교환 기구(30)도 또한 자기 열량 열교환 기구이다. 본 열교환 기구와 도 4의 열교환 기구와의 차이점은 교환 영역들(ZN+1, Z'N+1)의 수에 있다. 도 5의 구성에서는 단 하나의 단방향 일차 회로부(P30,N+1, P'30,N+1)가 열교환 영역(ZN+1, Z'N+1)을 포함하고 있다. 이러한 구성은 이차 유체와의 열교환에 대한 제한이 필요한 경우에 사용 가능하다.
본 발명에 따른 열교환 기구가 자기열량 열교환 기구인 경우, 상이한 수의 자기 열량 부재들(3)을 포함할 수 있다. 실제로 본 발명은 자기열량 열교환 기구(20, 30)의 코어(G20, G30) 내에 단 2개의 자기 열량 부재들(3)만 통합시키는 것으로 제한되지 않으며, 하나도 가능한 한편 2개 이상의 통합도 또한 가능하도록 구성된다.
도시된 실시예들에서, 열교환 기구(1, 10, 20, 30)는 흡열부 및 방열부에 열교환 인터페이스(I1,1, I1,2, I10,1, I10,2, I20,1, I20,2, I30,1, I30,2)를 포함하도록 구성되어 있으나, 본 발명은 이러한 구성에만 한정되지는 않는다. 본 발명에 따르면, 실제로는 흡열부 및 방열부에 상이한 인터페이스들(I1,1, I1,2, I10,1, I10,2, I20,1, I20,2, I30,1, I30,2)을 설치할 필요도 있다.
이러한 목적으로, 도 6 내지 도 8의 열교환 기구(40, 50, 60)에서는 흡열부(F40, F50, F60) 만이 도시되어 있으며, 대응되는 방열부는 동일한 구성을 가질 수도 있고 또는 상이한 구성을 가질 수도 있다.
따라서, 도 6에 도시된 열교환 기구(40)의 흡열부(F40)는, 두개의 열교환 영역들(ZN 및 ZN+1)에서 각각 열교환을 수행하도록 구성된 두개의 이차 회로들(S40,1,N 및 S40,1,N+1)이 존재한다는 점에서 도 1, 2, 4의 열교환 기구들(1, 10, 20)의 것과 차이가 있다. 본 구성에서는 두개의 열교환 영역들(ZN 및 ZN+1) 사이에 특별히 단열이 적용된다. 이러한 변형은 또한 열교환 기구(40)의 방열부에도 적용 가능하다. 그러나 이러한 열교환 기구의 흡열부 및 방열부를 상이한 구성에 따라 구현하는 것도 가능하다.
도 7에 도시된 열교환 기구(50)는 공통의 단방향 일차 회로부들(P50,N, P50,N+1)를 포함하는 두개의 일차 회로들(P50 및 P50')를 포함하며, 일차 유체 또는 두개의 일차 회로들(P50 및 P50')은 이들 내에서 서로 합치도록 구성된다. 즉, 열교환 인터페이스(I50,1)는 두개의 일차 회로들(P50 및 P50')을 갖도록 구성된다. 이에 의해 특히 열교환 기구의 코어(G50)에 대한 체적을 최적화하고 개선된 열교환 효율의 제공이 가능하다. 물론, 본 발명은 열교환 인터페이스당 하나 또는 두개의 일차 회로들만을 할당하는 것으로 제한되지 않으며, 하나의 단일 열교환 인터페이스에 2개 이상의 일차 회로들이 할당될 수 있는데, 이는 열교환 기구의 열출력 및/또는 필요한 교환 용량에 따라 달라진다. 단방향 일차 회로부들이 분리되지만 공통의 열교환 영역에 배치되는 변형예(도시되지 않음)도 또한 본 발명에서 고려될 수 있다.
도 8에 도시된 열교환 기구(60)는, 인터페이스(I60,1) 내에 하나의 단일 열교환 영역(ZN+1)이 존재한다는 점에서 도 7의 것과 차이가 있으며, 두개의 일차 회로들(P60 및 P60')을 갖도록 구성되는 단일의 단방향 일차 회로부(P60,N+1)가 열교환 영역(ZN+1)을 포함한다. 이러한 구성은 도 5에 도시된 내용과 동일하다.
산업상 이용 가능성
본 발명에 의해, 교차되는 초기 운동을 갖는 일차 유체 및 단방향의 지속적인 운동을 갖는 이차 유체 간의 열교환 효율을 개선 가능한 열교환 기구(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60)가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 열교환 기구(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60)는 난방, 냉방, 템퍼링(tempering), 냉각 또는 기타 분야에서 산업용은 물론 가정용으로 경쟁력 있는 가격으로 제공 가능하며, 또한 적은 공간으로도 적용 가능하다.
본 발명은 기재된 실시예들에만 한정되지 않으며, 첨부된 청구항에 정의된 보호 범위 내에서 당업자에게 명백한 수정 및 변형까지 확장 적용된다.

Claims (14)

  1. 열에너지가 생산되는 코어 장치(G1, G10, G20, G30, G40, G50, G60, G70)를 포함하고, 일차 유체로 불리는 열전달 유체가 순환하는 적어도 하나의 일차 회로(P1, P10, P10', P20, P30, P40, P50, P50', P60, P60', P70)를 포함하며, 상기 일차 유체는 일차 회로(P1, P10, P10', P20, P30, P40, P50, P50', P60, P60', P70) 내에서 작동 장치(5)에 의해 왕복 운동으로 이동하도록 구성되고, 이차 회로(S1,1, S1,2, S10,1, S10,2, S20,1, S20,2, S30,1, S30,2, S40,1,N , S40,1,N+1, S50,1, S60,1, S70,1, S70,2)에서 단방향으로 순환하는 이차 유체와 일차 유체와의 사이에 적어도 하나의 열교환 인터페이스(I1,1, I1,2, I10,1, I10,2, I20,1, I20,2, I30,1, I30,2, I40,1, I50,1, I60,1, I70,1, I70,2)를 포함하는 열교환 기구(Thermal apparatus)(1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70)에 있어서,
    상기 일차 회로는 열교환 기구(1, 10, 20, 30 40, 50, 60, 70)의 코어(G1, G10, G20, G30, G40, G50, G60, G70)의 출구에 위치한 분기 지점들(D)에서 다수의 단방향 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1, P'1,N, P'1,N+1, P10,N, P10,N+1, P'10,N, P'10,N+1, P20,N, P20,N+1, P'20,N, P'20,N+1, P30,N, P30,N+1, P'30,N, P'30,N+1, P40,N, P40,N+1, P50,N, P50,N+1, P60,N, P60,N+1, P70,N, P70,N+1, P'70,N, P'70,N+1)로 분리됨으로써, 일차 유체의 모든 유동 방향 변화시, 단방향 일차 회로의 일부(P1,N, P'1,N, P10,N, P'10,N, P20,N, P'20,N, P30,N, P'30,N, P40,N, P50,N, P60,N, P70,N, P'70,N) 또는 다른 대응부(P1,N+1, P'1,N+1, P10,N+1, P'10,N+1, P20,N+1, P'20,N+1, P30,N+1, P'30,N+1, P40,N+1, P50,N+1, P60,N+1, P70,N+1, P'70,N+1)에서 이동하도록 구성되고,
    모든 단방향 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1, P'1,N, P'1,N+1, P10,N, P10,N+1, P'10,N, P'10,N+1, P20,N, P20,N+1, P'20,N, P'20,N+1, P30,N, P30,N+1, P'30,N, P'30,N+1, P40,N, P40,N+1, P50,N, P50,N+1, P60,N, P60,N+1, P70,N, P70,N+1, P'70,N, P'70,N+1)은 두개의 분기 지점들(D)에 의해 구분되며,
    상기 인터페이스(I1,1, I1,2, I10,1, I10,2, I20,1, I20,2, I30,1, I30,2, I40,1, I50,1, I60,1, I70,1, I70,2)는 두개의 분기 지점들(D) 사이에 배치되고, 일차 유체 및 이차 유체가 한쪽 방향으로 유동하되 서로에 대해서는 반대 방향으로 유동하도록 구성된 적어도 하나의 열교환 영역(ZN,N+1, Z'N,N+1, ZN, ZN+1, Z'N, Z'N+1)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 작동 장치(5)는 유체가 두개의 반대 방향으로 교차 이동하는 상기 일차 회로(P1, P10, P10', P20, P30, P40, P50, P50', P60, P60', P70)의 섹션으로 통합되는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 작동 장치(5)는 상기 열교환 기구(1, 10, 20, 30 40, 50, 60, 70)의 코어(G1, G10, G20, G30, G40, G50, G60, G70) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  4. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일차 회로(P1, P10, P10', P20, P30, P40, P50, P50', P60, P60', P70)는, 상기 일차 유체의 단방향 유동 방향을 이러한 부분들로 보내도록 특성화된, 일차 유체의 유동 방향을 조절하기 위한 장치(2)가 제공되는 단방향 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1, P10,N, P10,N+1, P20,N, P20,N+1, P30,N, P30,N+1, P40,N, P40,N+1, P50,N, P50,N+1, P60,N, P60,N+1, P70,N, P70,N+1, P'1,N, P'1,N+1, P'10,N, P'10,N+1, P'20,N, P'20,N+1, P'30,N, P'30,N+1, P'70,N, P'70,N+1)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 열교환 영역(ZN,N+1, Z'N,N+1, ZN, ZN+1, Z'N, Z'N+1)은 상기 단방향 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1, P10,N, P10,N+1, P20,N, P20,N+1, P30,N, P30,N+1, P40,N, P40,N+1, P50,N, P50,N+1, P60,N, P60,N+1, P70,N, P70,N+1, P'1,N, P'1,N+1, P'10,N, P'10,N+1, P'20,N, P'20,N+1, P'30,N, P'30,N+1, P'70,N, P'70,N+1) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 일차 회로(P1, P10, P10', P20, P30, P40, P50, P50', P60, P60', P70)는 적어도 두개의 단방향 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1, P10,N, P10,N+1, P20,N, P20,N+1, P30,N, P30,N+1, P40,N, P40,N+1, P50,N, P50,N+1, P60,N, P60,N+1, P70,N, P70,N+1, P'1,N, P'1,N+1, P'10,N, P'10,N+1, P'20,N, P'20,N+1, P'30,N, P'30,N+1, P'70,N, P'70,N+1)로 분리되는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 각 단방향 일차 회로부들(P1,N, P1,N+1, P10,N, P10,N+1, P20,N, P20,N+1, P30,N, P30,N+1, P40,N, P40,N+1, P50,N, P50,N+1, P60,N, P60,N+1, P70,N, P70,N+1, P'1,N, P'1,N+1, P'10,N, P'10,N+1, P'20,N, P'20,N+1, P'30,N, P'30,N+1, P'70,N, P'70,N+1)은 열교환 영역(ZN,N+1, Z'N,N+1, ZN, ZN+1, Z'N, Z'N+1)에 적어도 부분적으로 통합되는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 단방향 일차 회로부들(P30,N, P60,N, P'30,N) 중 적어도 하나는 열교환 영역(ZN,N+1, Z'N,N+1, ZN, ZN+1, Z'N, Z'N+1)에 적어도 부분적으로 통합되지 않는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 열교환 영역(ZN+1)은 상기 단방향 일차 회로의 다수 부분들(P70,N, P70,N+1, P'70,N 및 P'70,N+1)이 함께 모이는 적어도 하나의 공통의 단방향 일차 회로부(PC)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 교환 인터페이스(I1,1, I1,2, I10,1, I10,2, I20,1, I20,2, I50,1)는 동일한 이차 회로들(S1,1, S1,2, S10,1, S10,2, S20,1, S20,2, S50,1)의 다수 부분들을 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 교환 인터페이스(I40,1)는 다수의 이차 회로들(S40,1,N, S40,1,N+1)의 부분들을 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 기구는 다수의 일차 회로들(P50, P50')을 포함하고,
    상기 열교환 영역(ZN,N+1)은 상기 일차 회로들(P50, P50')의 일차 유체가 함께 모이는 공통 단방향 일차 회로부(P50,N, P50,N+1) 중 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  13. 전술한 항 중 어느 한 항에 따른 열교환 기구(20, 30)에 있어서,
    상기 기구는 상기 기구의 코어를 형성하고 이를 통해 상기 일차 유체를 통과시키기 위한 적어도 하나의 자기 열량 부재(magnetocaloric element, 3)를 포함하고, 자기 장치(4)가 상기 자기 열량 부재(3)에 교차로 자기장 변화를 부여하도록 작동함으로써 상기 자기 열량 부재(3)에서 가열 단계 및 냉각 단계를 교차로 형성하는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 분기 지점들(D)은 상기 자기 열량 부재(3)의 일차 유체의 출구 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는
    열교환 기구.
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