KR20170024095A - 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치 - Google Patents

적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 열관(100), 특히 열 사이펀을 포함하는 공기 조화 장치에 관한 것이며, 상기 열관은, 전계 및/또는 자계의 적어도 일시적인 영향을 받는 적어도 하나의 전기 또는 자기 열량 재료(4)와, 열관의 일측 제1 단부로부터 그 타측 제2 단부 쪽으로 지향되는 열 수송부를 포함한다. 바람직하게는 통합되거나, 또는 그 내부에 배치되는 전기 또는 자기 열량 재료를 포함하는 상기 열관이 복수 개 포함되어 캐스케이드의 유형으로 서로 직렬로 연결되며 경우에 따라서는 열 교환기 또는 스위칭 가능한 열 흐름 조절기를 통해 서로 연결된다.

Description

적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치{AIR CONDITIONING DEVICE HAVING AT LEAST ONE HEAT PIPE, IN PARTICULAR THERMOSIPHON}
본 발명은 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함하는 공기 조화 장치에 관한 것이다.
열관은 높은 열 흐름 밀도 및 매우 우수한 열 전달 특성을 특징으로 하며, 그럼으로써 증발기로서도 지칭되는 일측의 제1 열 접촉 단부(thermal contact end) 상에서 액상 작동 매체(working medium)는 증발되고, 해당 위치에서 우선은 상대적으로 더 저온인 열관의 열 접촉 단부이면서 응축기로서도 지칭되는 상기 타측의 열 접촉 단부 상에서는 작동 매체 증기가 응축되며, 그리고 이와 동시에 자체의 잠재된 증발열은 응축열로서 다시 방출되며, 이때 작동 매체의 잠재된 증발열 및 응축열 각각을 방출하면서 실행되는 위상 변환을 통한 열 전달은 열 전달의 효율이 특히 유리하고 바람직하다는 의미도 포함한다.
그러므로 열관은 매우 효율적인 열 교환기로서 예컨대 컴퓨터에서 칩 냉각을 위해, 또는 영구 동토층에서 오일 파이프라인의 열 방출을 위해 이용된다. 열관은 작동 매체(예: 물 또는 암모니아)로 충전된 밀폐된 체적부이다. 이 경우, 열관 내의 압력은, 작동 매체가 목표하는 작동 온도에서 액상 형태로뿐만 아니라 기상 형태로도 존재하도록 설정된다. 열관의 일측의 가열을 통해 작동 매체가 증발되며, 그리고 저온 측에서는 작동 매체가 응축된다. 이 경우, 액상 작동 매체의 복귀 수송(return transport)은 모세관련("히트파이프") 또는 중력["( 2상 ) 열 사이펀"]을 통해 수행될 수 있다.
한편, 오늘날의 냉각 및 공기 조화 시스템들은 일반적으로 압축기를 기반으로 하고 그로 인해 냉매를 요구하지만, 그러나 상기 시스템들은 일반적으로 취급 및 환경에 충분히 친화적이지 않으며, 경우에 따라서는 쉽게 타는 가연성이기도 하다.
그 밖에도, 냉각 장치들이 열 전기 발전기들로, 또는 펠티어 소자들에 의해 상기 유형의 압축기 기반 시스템들에 대한 대안으로서 실현될 수 있는 점도 공지되어 있다. 그러나 이런 효과들은 단지 비교적 낮은 온도 상승(temperature lift) 또는 적은 효율만으로도 발생하며, 그에 따라 냉각 부재들(cooling element) 역시도 상응하는 전기 또는 자기 열량 재료들의 전기 또는 자기 열량 효과를 활용하는 조건으로 개발되었다.
전기 열량 또는 자기 열량 재료에 전계 및/또는 자계를 인가하는 것을 통해, 상기 재료는 전기 또는 자기 모멘트의 정렬 및 이와 결부되는 엔트로피 감소를 기반으로 자체의 온도를 변경하며, 일반적으로 상기 재료는 가열된다. 일반적으로 전계 및/또는 자계 상태에 있는 상기 재료들에 열 교환기를 연결한다면, 대응하는 열은 방출될 수 있고 재료는 다시 주변 온도로 냉각될 수 있다. 한편 전계 및/또는 자계가 차단되면, 전기 또는 자기 모멘트의 발생하는 무질서로 인해 재료가 냉각되며, 그럼으로써 저장 탱크에 상기 재료를 연결함으로써 상기 저장 탱크는 주변 온도 미만의 온도로 냉각될 수 있게 된다. 이는 전기 열량 또는 자기 열량 효과로서 지칭된다. 필드의 인가 시 온도 변화가 양이라면(예컨대 강자성 및 영구자성 재료의 경우), 대개 이를 종래의 관습적 (긍정성의) 효과[conventional (positive) effect]라 하며, 그에 반해 필드의 인가 시 온도 변화가 음인 경우라면 이는 부정성의 효과(negative effect)라 한다(예컨대 반강자성으로 연결된 시스템들에서).
마찬가지로 인가된 전계 및/또는 자계를 통해, 결정 구조(crystal structure)의 변화가 야기될 수 있으며, 이때 구조적인 엔트로피 변화를 통해 마찬가지로 냉각 또는 가열 효과가 관찰될 수 있다. 이는 역 열량 효과(inverse caloric effect)로서 지칭된다. 이런 효과는 전술한 전기 열량 또는 자기 열량 효과를 보조할 수 있되, 두 효과 모두는 합산되거나, 또는 상호 간에 상쇄하며, 그 다음 효과들은 삭감(subtraction)된다.
상기 효과들 또는 과정들은 공기 조화 또는 냉동을 위해 이용될 수 있다.
자계의 영향을 받는 자기 열량 재료 블록과 복수의 열관이 연결되어 있는 냉동 시스템은 미국 공보 US 2004/0182086 A1로부터 공지되어 있다. 그러나 자기 열량 재료는 열관들의 외주면과 각각 접촉해 있고 이때 접촉은 열적 저항이나 다름없기 때문에, 상대적으로 더 높은 냉각 용량의 달성을 위해 열관들의 작동 매체와 자기 열량 재료 간의 열 전달 특성의 추가적인 개량이 필요하다. 전기 열량 요소(electrocaloric element)와 단방향성 열관들의 연결은 미국 공보 US 4 757 688 A1에서도 개시되어 있다.
본 발명의 과제는, 향상된 효율로 공기 조화 장치의 주변의 가열뿐만 아니라 냉각에도 기여하도록 허용하는 공기 조화 장치, 특히 열 펌프를 제공하는 것에 있다. 특히 본 발명의 과제는 작동 매체의 잠재된 열(latent heat)의 이용하여 상기 가열 및 냉각에 대한 기여가 수행되도록 하는 것에 있다.
상기 과제는 본 발명에 따라서 청구항 제1항에 따른 공기 조화 장치를 통해 해결된다.
본 발명은, 열 활성 전기 열량 또는 자기 열량 재료가 특히 열 사이펀의 열관 내에 통합되고, 특히 열관은 열을 한 방향으로 충분히 전도하지만, 그러나 타측 방향, 즉 반대 방향에서는 실제로 명백한 열 수송(heat transport)이 실행되지 않게 하고["열 다이오드(thermo-diode)"], 이와 동시에 작동 매체의 잠재된 열이 이용되게 함으로써 높은 냉각 용량이 달성될 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.
열관 내의 전기 또는 자기 열량 재료와 상기 열관 내의 (적어도 하나의) 작동 매체 사이에는 제1 열 전달 영역이 형성되고, 이 영역 내에서 전기 또는 자기 열량 재료는 전계 및/또는 자계의 필드 영향을 받으면서 엔트로피 변화에서 기인하는 자체의 가열이 작동 매체로 전달되게 하며, 이때 효율성의 증대를 위해 상기 작동 매체는 바람직하게는 작동 온도에 가까운 자체의 퀴리 온도(Curie temperature)를 갖는다. 이런 방식으로, 입열(heat input)을 통해 자체의 기상(gaseous phase) 또는 증기상(vaporous phase)으로 전환되는 작동 매체는 상대적으로 더 높은 에너지 함량을 보유하게 되고, 그에 따라 흡수된 열은, 작동 매체가 적어도 열 교환기 또는 응축기 구조에 부딪히게 되는 것을 통해, 일반적으로 상부에 위치하는 작동 매체의 제2 열 전달 영역으로 수송되며, 이때 상기 열 교환기 또는 응축기 구조 상에서 작동 매체는 자체의 잠재된 열의 전달을 위해 응축되며, 그런 다음 작동 매체는 제1 열 전달 영역 내로 복귀한다. 바람직하게 이는 열 사이펀으로서 중력 힘의 영향하에 수행된다.
그러나 바람직하게 열관의 응축 영역 또는 응축기는, 한편으로, 전계 및/또는 자계의 필드 조절을 통해 자체적으로 전기 또는 자기 열량 열 전달 구조를 형성하면서 이런 방식으로 열 펌프의 의미에서 가열 효과 또는 대향하는 단부에서의 냉각 효과의 증대를 달성하는 전기 또는 자기 열량 요소로서 형성된다.
이런 방식으로, 복수의 열관을 캐스케이드 유형의 어셈블리로 서로 연결할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시형태에서, 특히 전기 또는 자기 열량 재료를 포함하는 상기 유형의 복수의 열 전달 영역 역시도 일부 영역에서 단일의 열관의 내부에 배치될 수 있으며, 상기 열 전달 영역들은 동시에 열관을 고압 밀봉 방식으로 밀폐하며, 그럼으로써 바람직하게는 전기 또는 자기 열량 재료 요소를 통해 각각 범위 한정되는 복수의 작동 챔버가 열관의 내부에 형성된다[그러나 작동 매체를 위한 환류력(return flow force)으로서의 중력 힘으로 작동되는 열 사이펀의 경우 각각의 작동 영역의 상단부는 응축기 장치를 통해 형성될 수도 있다.].
상기의 구획화된 열관의 내부에서는 서로 상이한 작동 온도들, 작동 매체들 및 서로 상이한 퀴리 온도의 자기 열량 재료들 역시도 이용될 수 있다.
열관의 내부에서, 예컨대 열관의 제1 하부 영역 내의 제1 열 전달 영역과, 바람직하게는 열관의 작동 매체(예: 물)와 직접 접촉하면서 습윤화하는 열관의 제2, 즉 상부 열 전달 영역 사이에 전기 또는 자기 열량 재료의 바람직한 배치를 통해, 열관의 내부에서 전기 또는 자기 열량 재료와 액상 또는 기상 또는 증기상 작동 매체 간에 긴밀한 열 접촉이 이루어지고, 그에 따라 증발된 작동 매체가 응축되는 특히 열관의 상단부의 영역에서 열관으로부터 열 방출을 위한, 그리고 전기 또는 자기 열량 재료가 액상 작동 매체와 직접 접촉하면서 인가되는 전계 및/또는 자계를 통한 가열하에 작동 매체를 증발시키는 특히 열관의 하단부의 영역에서 열관의 냉각(열 제거)을 위한 전기 또는 자기 열량 효과의 특히 높은 효력이 달성된다.
바람직하게는 제1 전기 또는 자기 열량 재료 요소는 열관의 제1 단부의 영역에 통합되고, 제2 전기 또는 자기 열량 재료 요소는 열관의 제2 단부의 영역에 통합된다.
열 사이펀으로서 열관을 이용하는 경우에는, 특히 우선 방향을 갖는 열 수송을 보장하기 위해, 열관 또는 열관들의 수직 배치구조가 바람직하다.
바람직하게는, 열관에 의해, 제1 열 교환기, 특히 냉각 본체(cooling body)가 적어도 하나의 제1 전기 또는 자기 열량 재료 요소와 열 전도 방식으로 연결되어, 특히 열관의 하단부 상에 배치되며, 그리고 제2 열 교환기, 특히 가열 본체(heating body)는 열관의 상단부 상에 제공된다.
바람직하게는, 열관, 특히 히트파이프의 내부에서, 예컨대 열관의 제1 단부와 제2 단부 사이의 압력 또는 열 밸브를 통해 실현될 수 있는 것처럼, 열관의 제1 단부와 제2 단부 사이에 조절 가능한 열적 연결부가 실현된다.
예컨대 제1 열 전달 영역 내의 전기 또는 자기 열량 재료 요소가, 예컨대 열관, 히트파이프 또는 열 사이펀의 하단부 상에서, 전계 및/또는 자계의 영향을 받는다면, 대응하는 재료는 가열된다. 그 결과, 전술한 재료와 접촉해 있는 작동 유체는 열관의 내부에서 증발되어 상부 방향으로 상승하거나 또는 열관의 또 다른 단부 쪽으로 유동한다. 그 다음, 도달한 위치에서, 작동 매체 증기는 응축기 상에서 응축되되, 이 응축기는 바람직하게는 마찬가지로 그 해당 시점에 전계 및/또는 자계의 영향을 받지 않는 전기 또는 자기 열량 재료로 구성되거나, 또는 이 재료를 포함한다. 이 경우, 증발/응축 과정을 통해, 매우 높은 열은, 바람직하게는 열관의 하단부 내에 정착된 제1 열 전달 영역의 제1 전기 또는 자기 열량 재료 요소로부터, 바람직하게는 상부에 위치하는 제2 열 전달 영역 내의 전기 또는 자기 열량 재료로 이루어진 제2 재료 요소 상으로 방출된다. 그 다음 예컨대 예시로만 열관의 제2 단부 상에, 또는 제2 열 전달 영역 내에 위치하는 상부 전기 열량 또는 자기 열량 재료는 전계 및/또는 자계에 노출되고 제1 열 전달 영역(바람직하게는 열관의 하단부) 상의 필드는 차단되거나, 또는 상기 제1 열 전달 영역이 전계 및/또는 자계의 외부로 이동된다면, 상부 전기 또는 자기 열량 재료 요소 또는 열관의 제2 열 전달 영역 내에 위치하는 전기 또는 자기 열량 재료 요소는 가열되고, 바람직하게는 하부에, 그리고 제1 열 전달 영역 내에 위치하는 또 다른 전기 또는 자기 열량 재료 요소는 냉각되며, 상부의 제2 전기 또는 자기 열량 재료 요소와 제1 또는 하부 전기 또는 자기 열량 재료 요소(제1 열 전달 영역) 간의 열 교환은 신뢰성 있게 방지된다.
본 발명은, 자체의 일반적인 기본 어셈블리에서, 단방향성 열 수송이 제공되고 그 반대 방향에서는 단지 작동 매체의 재료 수송만이 제공되는 것인 열관, 특히 열 사이펀의 작동 매체를 위한 가열 구조로서 단지 하나의 전기 또는 자기 열량 재료만이 존재하는 경우에도 적용되며, 예컨대 열관 또는 열 사이펀의 상부 영역에 작동 매체를 위한 단지 하나의 응축기 또는 응축 구조만이 위치된다.
종래 공기 조화 시스템들은 일반적으로 열 전달 매체로서 이용되는 능동 펌핑(active pumping)되는 액체로 작동한다. 이 경우, 경계면 상에서 대류식 열 전달을 통해, 전기 또는 자기 열량 재료로부터 유체로의 열 전달은 공기 조화 장치의 제한 요인이 된다. 이와 반대로, 본 발명에 따라서는, 열관들 내에서 유체의 증발 엔탈피를 이용함으로써, 유체 분자마다 훨씬 더 높은 열량이 수송될 수 있으며, 그에 따라 열관의 냉각 용량은 통합되거나 열관의 내부에 배치되는 전기 또는 자기 열량 재료들과 열관(히트파이프)의 조합을 통해 유의적으로 증가될 수 있다.
그러나 예컨대 선택적으로 제1 또는 제2 전기 또는 자기 열량 재료에 영향을 미치는 전자석처럼, 제1 또는 제2 전기 또는 자기 열량 재료의 교호적인 필드 조절을 위한 지속적으로 스위칭 가능한 필드 소스들(field source) 역시도 제공될 수 있다.
바람직하게 공기 조화 장치는, 특히 제1 또는 제2 전기 또는 자기 열량 재료의 교호적인 필드 조절을 위한 전계 및/또는 자계의 소스 및 바람직하게는 열관과 필드 생성기 간의 상대 이동성에 관련되는 열관을 특징으로 한다.
전자석을 이용하는 경우, 전기 또는 자기 열량 재료의 필드 조절은 전자석을 스위칭하는 것을 통해 제어될 수 있으며, 그리고 이런 경우에 작동 매체를 통해 서로 "연결"되어 있는 제1 및 제2 열 전달 영역 내에서 전기 또는 자기 열량 재료를 이용하는 경우 필드와 전기 또는 자기 열량 재료 간의 상대 이동은 방지될 수 있다.
바람직하게는 공기 조화 장치의 열관에는 특히 전기 또는 자기 열량 재료로 이루어진 응축기가 연결되며, 그리고 다른 한편으로는 특히 전기 또는 자기 열량 재료로 이루어진 증발기가 연결되며, 증발기는 적어도 일시적으로 필드 생성기의 전계 및/또는 자계에 노출된다.
본 발명의 특히 바람직한 구현예에서, 전기 또는 자기 열량 재료는 인접한 작동 유체에 대해 확대된 접촉면을 구비하며, 특히 마이크로 구조 또는 나노 구조를 구비하며, 그럼으로써 일측의 전기 또는 자기 열량 재료와, 전기 또는 자기 열량 재료의 필드 조절을 통해 증발되는 것인 타측의 열관 내부의 작동 유체 간에 매우 큰 열 전달이 존재하게 된다.
본 발명의 대상의 추가의 바람직한 구현예들은 나머지 종속 청구항들에 명시되어 있다.
상기 공기 조화 장치들의 추가의 효율 증대를 위해, 본 발명에 따라서, 자체 내에 배치되는 전기 또는 자기 열량 재료 요소들을 각각 구비하여 직렬로 배치되는 복수의 열관, 및/또는 열관(열 사이펀) 내에 통합되어 열관 내에서 복수의 기밀성 세그먼트(작동 영역)를 형성하는 복수의 전기 또는 자기 열량 재료 요소를 구비하는 열관 어셈블리를 포함하는 공기 조화 장치가 제공된다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 적어도 하나의 열적 연결 부재, 특히 조절 가능한 열적 연결 부재가 2개의 열관 사이에 배치되거나, 또는 하나의 열관 내부에서 2개의 작동 영역 사이에 배치되며, 다시 말해, 열 수송은 일측 열관으로부터 이웃하거나 바로 다음에 후속하는 열관 쪽으로, 또는 제1 작동 영역으로부터 제2 작동 영역 내로 수행되며, 특히 조절되고 설정될 수 있다.
본 발명은 하기에서 실시예들 및 관련된 도면들에 따라서 더 상세하게 설명된다.
본 발명의 효과는, 향상된 효율로 공기 조화 장치의 주변의 가열뿐만 아니라 냉각에도 기여하도록 허용하는 공기 조화 장치, 특히 열 펌프를 제공하는 것에 있다. 특히 본 발명의 효과는 작동 매체의 잠재된 열(latent heat)의 이용하여 상기 가열 및 냉각에 대한 기여가 수행되도록 하는 것에 있다.
도 1은, 열 사이펀으로서 형성되는 열관의 단부, 여기서는 하단부의 영역에 적어도 하나의 전기 또는 자기 열량 재료 요소를 포함하는 공기 조화 장치의 실시예로서 열관을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 도면과 유사하지만, 저온 측(하부) 및 고온 측(상부)에 열 교환기들이 보충되어 있는 열관을 도시한 개략도이다.
도 2a ~ 2c는 전술한 실시예들에서뿐만 아니라, 구조화(표면 확대) 및 전기 분리(와전류를 통한 주울 열의 억제)를 위한 하기의 실시예들을 위해서도 제공되는 전기 또는 자기 열량 재료 본체(4)(electro- or magnetocaloric material body)의 변형예를 도시한 개략도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 도면과 유사하지만, 추가 실시예로서 저온 측(하부)에 층으로서 적층되는 활성 전기 또는 자기 열량 재료를 포함하는 열관을 도시한 도면이다.
도 4는 온도 상승의 증대 또는 열 또는 냉동 효과의 증대를 위한 공기 조화 장치들로서 도 1 내지 도 3에 도시된 열관들의 유형에 따르는 열관들의 캐스케이드형 어셈블리를 도시한 도면이다.
도 4a는 도 4에서의 도면과 유사하지만, 그러나 길이/폭 비율을 변경한 조밀한 구성을 위한 복수의 열관의 캐스케이드형 어셈블리의 추가 실시예를 도시한 도면이다.
도 4b는 도 4a에 비해 길이/폭 비율이 변경된 조밀한 어셈블리의 공기 조화 장치의 추가 실시예로서 캐스케이드형 어셈블리의 추가 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 통합된 열 도체를 포함한 자기 열량 재료로 이루어진 증발기를 구조화하여 형성한 열 사이펀으로서 열관의 추가 실시예를 도시한 도면이다.
도 5a는 도 5에 따른 실시형태에 따르지만, 상부 응축기 어셈블리들이 열 도체에 의해 그 위에 위치하는 후행 단(subsequent stage)의 자기 열량 재료로 이루어진 증발기와 열적으로 연결되어 있는 열관들 또는 열 사이펀들의 캐스케이드형 어셈블리를 도시한 도면이다.
도 5b는 도 5a에 따른 실시형태에 따르지만, 2개의 하부 열관 또는 열 사이펀의 응축기 어셈블리들이 적어도 부분적으로 자기 열량 재료로 형성되어 있는 것인 캐스케이드형 열관 또는 열 사이펀 어셈블리를 도시한 도면이다.
도 6은 전술한 실시예들과 유사하게 표면이 확대되고 구조화된 자기 열량 증발기를 포함하는 열관 또는 열 사이펀의 추가 실시예를 도시한 개략도이다.
도 7은 통합된 열 도체들을 포함한 구조화된 자기 열량 재료 본체를 포함하는 열관 또는 열 사이펀의 추가 실시형태를 도시한 개략도이다.
도 8a 및 8b는 (증발기로서의) 하부 영역에서뿐만 아니라 (응축기로서의) 상부 영역에서도 자기 열량 재료를 포함하는 열관 또는 열 사이펀의 실시예들을 각각 도시한 개략도이되, 도 8a에서는 증발기의 자계 조절이 수행되고, 도 8b에서는 응축기의 자계 조절이 수행된다.
도 9a 및 9b는 방향성 압력 밸브를 포함하는 열관 또는 열 사이펀의 추가 실시예를 각각 도시한 도면이되, 도 9a는 밸브가 개방되어 있으면서 증발기의 자계 조절로 열 흐름이 하부에서 상부 방향으로 지향되어 있는 상태의 도면이고, 도 9b는 압력 제어 밸브가 폐쇄되어 있으면서 응축기에 자계가 할당되어 있는 상태의 도면이다.
도 10은 도 8a 및 8b에 따른 열관 또는 열 사이펀의 실시예들에 대해 열관 또는 열 사이펀 내부에서의 온도 특성곡선을 개략적으로 나타낸 개략적 온도-시간 그래프이다.
도 11a 및 11b는 도 9에 따르는 열관들 또는 열 사이펀을 기반으로 상응하는 자계 소스를 할당한 상태에서 증발기와 응축기 간의 조절 가능한 열적 연결부를 포함하는 열관들 또는 열 사이펀들의 캐스케이드형 어셈블리를 도시한 개략도이다.
도 12a 및 도 12b는 전기 또는 자기 열량 재료 요소들을 통해 형성되는 복수의 작동 영역을 포함하고 구획화된 내부 구조를 갖는 열관을 도시한 도면이다.
도 13a 및 13b는 도 1 및 도 2의 도면과 유사하지만, 만곡된 형태의 추가 실시예로서의 열관, 및 이 열관으로 구성되고 전계 및/또는 자계의 회전형 생성기들을 포함하는 순환 시스템을 도시한 도면이다.
본 출원의 범위 및 다양한 실시예들의 하기 설명에서 "열관" 및 (열관의 특별한 구성으로서의) "열 사이펀"이란 개념들은 실질적으로 동의어로 간주되며, 본 발명의 범위에서 상기 개념들은 정상 상태(stationary sate)에서 균일한 열 분포를 갖는 등온 열 도체로서 간주되는 것이 아니라, 열 수송이 그 내에서 항상 한 방향으로만, 더 정확하게 말하면 증발기 측으로부터 응축기 측으로 향하는 방향으로만 실행됨으로써 응축기 측으로부터 증발기 측으로는 작동 매체의 재료 환류만이 수행되고 열 환류는 수행되지 않는 것인 지향성 열 도체로서 간주된다.
실시예들은 자체의 내부에서 작동 유체 환류가 중력 힘의 영향하에 수행되는 것인 열 사이펀, 즉 열 요소들(heat element)로서 설명된다.
본 발명 및 본 발명의 실시예들이 열 사이펀에 관계하는 한, 여기서는 적어도 실질적으로 수직인 위치에서 중력 힘을 통해 작동되는 열관에 관한 것이다.
그러나 예컨대 원심력 또는 외부로부터 가해지는 반작용력(reactive force)을 통해 열관, 또는 이 열관의 다중 어셈블리(multiple assembly)의 내부에서 재료 수송(작동 매체)이 수행되게 하는 또 다른 유형들도 생각해볼 수 있다.
도 1에 따르는 실시형태는, 기밀하게 밀폐된 용기로서 하우징(1)의 내부에서 매칭되는 압력하에 작동 매체(2), 예컨대 물이 그 내에 액상 상태로 존재하는 열관의 유형으로서의 열 사이펀(100)을 나타내되, 여기서 작동 매체는, 결과적으로 적어도 부분적으로 기상 작동 매체(3)로 전환하여 상승시키기 위해, 다시 말해 증발기 요소(4)로부터 열관 또는 열 사이펀(100)의 내부에서 상면에 배치되는 응축기(5)의 방향으로 유동시키기 위해, 여기서는 자기 열량 재료 요소로서 형성되어 있는 증발기에 의해 증발기 요소(4)의 영역에서 [여기서는 편자(horseshoe) 형태로 형성되어 있는] 자석(6)의 어셈블리를 통해 자계를 인가하는 것을 통해 가열되면서 적어도 부분적으로 증발되며, 상기 응축기 상에서는 기상 작동 매체(3)가 응축되거나, 또는 작동 매체의 증기 또는 기체가 이미 전체 열관[열 사이펀(100)] 내에 분포되어 있다면 응축기(5) 상의 해당 위치에서 증발로 인한 기체 압력의 변경을 통해 응축되며, 그에 따라 매우 높은 열이 자기 열량 재료로 이루어진 하부 증발기 요소(4)로부터 응축기(5)로 전달되어 잠재된 응축 열로서 방출된다. 상기 잠재된 응축 열은 열관 또는 열 사이펀(100)의 상면에서 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 자기 열량 증발기 요소(4)의 자기 모멘트의 복귀 배향을 통해 자기 열량 증발기 요소(4)로부터 자석(6)을 이격시키거나 차단하는 것을 통해 자기 열량 재료(4)가 냉각되고 이로 인해 주변은 주변 온도 미만의 온도로 냉각된다. 실질적으로 여기서 자기 열량 증발기(4)로서도 지칭되는 자기 열량 재료 요소(4)는 열관 또는 열 사이펀(100)의 내부에 배치되며, 그 결과로, 자석(6)(바람직하게는 영구자석, 또는 예컨대 이른바 할바흐(Halbach) 실린더 또는 선형 할바흐 어레이에서의 경우처럼 영구 자석들의 특별한 배열)을 통해 형성되는 자계 내부에서 자기 열량 재료 요소(4)의 배치를 통한 자기 열량 효과를 가용하게 함으로써 수행되는 작동 매체(2)의 가열/증발을 기반으로 자기 열량 재료 요소(4)와 이를 에워싸는 액상 또는 증발된 작동 매체(2 또는 3) 간에 탁월한 열 교환 및 열 전달이 달성된다. 이른바 할바흐 실린더의 경우, 개별 영구자석 블록들은, 내부에서 특히 강력하고 균일한 자계가 발생하도록 개별 블록들의 자화 방향이 서로 부합하게 조정되는 방식으로, 조립되어 하나의 실린더를 형성한다.
이 경우, 전기 열량 또는 자기 열량 재료는 기판 상에 예컨대 박판, 다공성 고형체, 발포체, 와이어, 분말, 직물 및/또는 박층으로서 존재할 수 있다.
본 출원의 범위에서 상기 설명에서 자연히 자명한 사실로서, 자기 열량 재료 요소(4) 대신 전기 열량 재료 요소 역시도 이용될 수 있으며, 그리고 이런 경우 그에 상응하게 자석(6) 대신, 전계와 예컨대 필드 소스로서 플레이트 응축기와 같은 상응하는 생성기가 이용될 수 있다.
자기 열량 재료 요소(4)는 스위칭되는 전자석의 교번 전자기장 내에도 위치될 수 있다.
이런 점에서 주지할 사항은, 제1 실시예에서 제1 열 전달 영역은 자기 열량 재료 요소(4)와 작동 매체(3) 사이에 형성되고, 그에 반해 열 교환기를 통한 작동 매체 기체(5)의 잠재된 열의 흡수를 위한 제2 열 전달 영역은 응축기(5)로서 형성된다는 점이다. 그러나 상기 응축기는, 하기에서 재차 열 사이펀 또는 열관(구획화된 열관)의 내부에 복수의 밀폐된 작동 영역의 배치를 위한 추가 실시예들(도 4, 도 5, 도 8 ~ 도 11 및 도 12)에 따라서 설명되는 것처럼, 자체적으로도 "증폭기 어셈블리(amplifier assembly)"의 구성을 위해 전기 또는 자기 열량 재료로 구성되거나 상기 재료를 포함할 수 있다.
도 2에 따르는 실시형태에서 열관 또는 열 사이펀(100)은, 여기서는 상면(고온) 또는 하면(저온)과의 연결부 내에 제공되는 열 교환기 요소(7)(열 교환기 저온 측) 및 열 교환기 요소(8)(열 교환기 고온 측)가 동시에 함께 도시되어 있는 점에 한해, 도 1에 따르는 실시형태에 비해 더 넓게 형성되어 있다.
그 밖의 점에서 열 생성 및 냉동의 메커니즘은 전기 열량 또는 자기 열량 효과를 기반으로 앞에서 기재한 메커니즘에 상응한다.
비록 하기 실시예들에서 자계에서의 자기 열량 재료의 이용만이 설명된다고 하더라도, 이는 예시로만 간주되어야 한다. 동일한 방식으로, 그리고 동일한 혼합에 의해 상기 실시예들에서는 전계에서의 전기 열량 재료 역시도 이용될 수 있다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c에는, 상호 간의 가능한 변형예들로서 자기 열량 재료 요소(4)에 대한 상이한 실시형태들(이는 그 의미에 부합하게 전기 열량 요소에도 적용된다.)이 개략적으로 도시되어 있으며, 도 2a에서는 자기 열량 재료(4)가, 추가로, 부분적으로(도 2a) 또는 완전하게 자기 열량 재료 요소(4) 안쪽으로 연장되어 있는 열 도체(10)를 통한 열 전달의 향상을 위해, 즉 열관 또는 열 사이펀(100)의 내부에서 작동 매체(2/3)로의 열 전달의 향상을 위해 구조화되어 있다.
이 경우, 전기 열량 또는 자기 열량 재료(4)는 예컨대 박판, 다공성 고형체, 필름, 발포체, 와이어, 튜브, 분말 및/또는 코팅층으로서 존재할 수 있다.
도 2c에서, 자기 열량 재료(4)는 추가로 전기 절연체 층들(4b)과 조합되며, 전기 절연체 층들은 교번 자기장과 함께 자기 열량 재료(4) 내부의 가능한 열 흐름을 방지하고 그에 따라 주울 열로 인한 의도하지 않은 가열을 최소화할 수 있도록 하기 위해 이용된다.
도 1에서도 자석(6)의 좌측 옆에 해당 사항을 표현하기 위해 양방향 화살표로 도시되어 있는 것처럼, 자석(6)의 자계를 통한 자기 열량 재료 요소(4)의 가열 후에, 자계는 바람직하게는 열 사이펀(100)을 따라서 이동되며, 그럼으로써 자기 열량 재료 요소(4)는 더 이상 자석(6)의 영향 영역 내에 위치하지 않으며, 그리고 열 교환기(7) 상에서 냉각 작용의 달성을 위해 자기 열량 재료의 모멘트의 복귀를 통한 상응하는 냉각이 수행된다. 자명한 사실로서, 전자석의 이용 시, 상기 전자석은 간단하게 차단될 수도 있거나, 또는 열 사이펀 또는 열관(100)이 동일한 작용을 달성하기 위해 고정된 자석(6)에 상대적으로도 길이방향으로 이동될 수 있다. 그러나 일반적으로 열관 또는 열 사이펀(100)을 따라 자석(6)을 이동시키는 점이 합당할 수 있다.
도 3에서 열관 또는 열 사이펀의 실시형태는, 열관 또는 열 사이펀(100)의 액상 작동 매체와 관련하여 열 전달의 향상을 위해, 그리고 그에 따라 전기 열량 코팅층(11)의 증발기 작용의 향상을 위해, 단지 자체의 자기 열량 재료 요소가 내부 코팅층(11)으로서 열 사이펀 또는 열관(100)의 하우징(1)의 하부 영역 내에 형성되는 점에서만 앞에서 설명한 구조 형상들과 구분된다.
한편, 도 4에는, 여기서는 특히 각각의 열관 또는 열 사이펀(100)의 하부 영역에서 자기 열량 재료 요소가 내부 코팅층(11)으로서 형성되는 도 3에 따른 구조 형상에 따르는 전술한 유형의 열관 또는 열 사이펀의 캐스케이드형 어셈블리이면서, 상하로 연속해서 배치되는 복수의 단에 통합되는 상기 어셈블리가 도시되어 있으며, 여기서는 단일의 열 사이펀 또는 단일의 열관(100)을 통해 달성 가능한 공기 조화 효과의 상응하는 수 배의 작용(증가된 온도 상승)은 열 사이펀 또는 열관의 상면 또는 그 하면 상에서 달성된다. 하부로부터 상부 방향으로 지향되는 열 흐름의 설계를 위해, 자석 어셈블리(6)는, 좌측에 양방향 화살표들을 통해 표현되어 있는 것처럼, 각각 하부로부터 상부 방향으로 이동된다. 또한, 이런 방식으로, 저온 측(7)의 열 교환기에서 캐스케이드형 어셈블리의 하면 상에서 냉각 작용 또는 온도 상승은 그에 상응하게 수 배로 증가될 뿐 아니라, 다중 어셈블리의 상부 고온 측 상의 열 교환기(8)의 작용 역시도 증가된다.
도 4에서는, 동일한 자석(G')이 각각 단계적으로 하부 열 사이펀 또는 열관(100)으로부터 중간 위치로, 그리고 상부에서 표시된 위치로 변위되지만, 그러나 전자석들을 이용할 경우에는 상기 전자석들이 상기 순서로 스위치 온 또는 오프된다.
이런 방식으로, 단지 하부로부터 상부 방향으로 고온 측의 열 교환기(8)를 향해 지향성 열 수송이 생성되며, 그에 반해 동시에 자기 열량(또는 전기 열량) 재료(11)(내부 코팅층)의 자기(또는 전기) 모멘트의 복귀 배향은 열 교환기(7)(저온 측)가 냉각되게 한다.
도 4에서와 유사한 방식으로, 도 4a에 따르는 훨씬 더 밀집하고 조밀한 유형에서 열관들 또는 열 사이펀들(100)의 다중 어셈블리는 고온 측[열 교환기(8)]에서 뿐만 아니라 저온 측[열 교환기(7)]에서도 공기 조화 작용을 강화시킨다.
자석 어셈블리(6)는 하부로부터 상부 방향으로 이동되며, 그럼으로써 하부로부터 상부 방향으로 연속해서 상응하는 열관들 또는 열 사이펀들(100)의 하면 상의 자기 열량 내부 코팅층들(11)은 상응하는 자계 조절을 통해 가열되며, 그리고 다른 한편으로는 상향 자계[자석(6)]의 외부에서 자기 열량 코팅층들(11)이 냉각된다.
도 4b 역시도 동일한 작용 원리를 기반으로 한다. 여기서는 단지 통합 하우징 어셈블리(1) 내의 열관들 또는 열 사이펀들만이 공기 조화 장치의 특정한 구조 요건에 따르기 위해 훨씬 더 많이 압축되어 있다.
그 밖의 점에서는 도 4a에 대해 전술한 설명이 참조된다.
도 5에는, 여기서는 자기 열량 재료(4) 내에 통합되는 열 도체(10)의 이용을 통해 복수의 원추형 요소들로 분할되는 자기 열량 재료(4)의 바람직한 방식으로 추가로 향상된 열 전달 특성을 갖는 열관 또는 열 사이펀(100)의 또 다른 실시형태가 개략도로 도시되어 있으며, 바람직하게는 상기 자기 열량 증발기 또는 흡수체는 작동 매체의 액상(2)과 기상(3) 사이의 경계면에 배치되고, 그에 따라 "섬프(sump)"를 통해 열 사이펀 또는 열관(100) 내의 습식 부분(wet portion)이 표시되어 있다. 그 결과, 자기 열량 요소들(4)의 증발기 작용은 한편으로 자기 열량 요소들의 구조화를 통해 추가로 증가되고, 다른 한편으로는 자석(6)의 이격 또는 예컨대 상대적 상향 이동 후에 자기 모멘트의 복귀 시, 자기 열량 재료 요소(4)로부터 열 교환기(7)(저온 측) 상으로 냉각 용량의 향상된 전달이 보장된다.
비록 본원에는 도시되어 있지는 않지만, 자기 열량 재료(4)와 작동 매체(2 또는 3) 사이의 밀접한 열 접촉의 추가적인 향상은 충분히 습윤화된 표면을 갖는 자기 또는 전기 열량 재료의 형성을 통해 달성될 수 있으며, 그리고 열 전달 표면을 최대한 크게 형성하기 위해 예컨대 마이크로 구조 또는 나노 구조도 적용될 수 있다.
비록 본원에는 마찬가지로 별도로 설명되거나 도시되어 있지는 않지만, 마찬가지로 적어도 하나의 자기 또는 전기 열량 재료를 포함하고 자체에는 마찬가지로 일시적으로 자계 또는 전계 또는 전자기장이 할당되는 상기 "통합된" 열관 또는 열 사이펀(100)은, 결과적으로 열관 또는 열 사이펀(100)과 열 교환기(7) 간에 시간에 따라 조정되는 열 전달을 최대화하기 위해, 펠티어 소자와도 열적으로 연결될 수 있다.
하기에 여전히 설명되지만, 그러나 직렬로 연결되는 열관들 또는 열 사이펀들(100)의 이미 캐스케이드형으로 형성된 (다중) 어셈블리들과 결부되어서도 분명한 것처럼, 동일한 유형이거나, 또는 이용되는 자기 또는 전기 열량 재료와 관련하여 서로 상이한 복수의 열관 또는 열 사이펀은 특히 중간에 개재되는 열 교환기를 통해 서로 연결될 수 있으며, 열관 또는 열 사이펀 기둥에서 하부로부터 상부 방향으로 증가하는 온도를 기반으로 바람직하게는 상대적으로 더 높은 온도를 갖는 열관들 또는 열 사이펀들(100) 내의 자기 열량 재료들은, 상기 다중 어셈블리의 저온 측에 더 가깝게 배치되는 자기 또는 전기 열량 재료들과 다른 (상대적으로 더 높은) 퀴리 온도를 갖는다.
자기 열량 재료의 자기 열량 효과는 자체의 퀴리 온도의 근처에서 가장 크기 때문에, 바람직하게는 각각의 자기 열량 재료는 작동 온도로서의 상기 온도 범위에서 작동된다.
따라서, 어느 경우든, 추가적인 스위칭 또는 밸브 부재들을 통해, 또는 중력을 통해 항상 일반적으로 하부로부터 상부 방향으로, 또는 저온 측에서 고온 측 쪽으로 단방향성 열 흐름이 수행되는 점이 보장된다.
상기 열 흐름은, 예컨대 회전 시스템과 관련되는 원심력과 같은 외부로부터의 반작용력의 추가적인 유입을 통해서도 보조되고 야기될 수 있다.
도 5a에서는, 다중 어셈블리, 다시 말하면 도 5에 개별 요소로서 도시되어 있는 것과 같은 열 사이펀들 또는 열관들(100)의 삼중 어셈블리(triple assembly)가 설명되며, 자기 열량 재료 요소들(4)과 각각 직접 연결되는 열 도체들(10)은 선행 단(preceding stage)의 응축기(5)와 열적으로 적합하게 전도하는 방식으로 연결되어 있다.
여기서도, 동일한 자석 어셈블리(6)는 각각 하부로부터 상부 방향으로 명시된 양방향 화살표들에 상응하게 이동되며, 그럼으로써 하부로부터 상부 방향으로 일측 지향성 열 흐름이 형성되며, 그럼으로써 자석(6)의 자계는 그에 상응하게 [공통 하우징(1) 내에 수용되어 있는] 열 사이펀들 또는 열관들(100)의 다중 어셈블리를 따라서 하부로부터 상부 방향으로 이동하게 된다.
도 5b에 따르는 우측 다중 어셈블리 내에서 전체 어셈블리의 공기 조화 효과는, 지금까지 설명한 것처럼 단지 증발기만이 전기 또는 자기 열량 재료(4)로 구성되는 것이 아니라, 여기서는 적어도 부분적으로 응축기(5) 역시도 전기 또는 자기 열량 재료로 구성됨으로써, 자계 또는 자석 어셈블리(6)가 도 5b에서의 하부 위치로부터 중간 위치로 상향 변위될 때 각각의 열관들의 응축기들로부터 그 위에 위치하는 열관의 그 위에 위치하는 증발기들 쪽으로 증가된 열 수송이 안내될 수 있는 것을 통해 재차 분명하게 증가된다.
이를 통해서도, 전체 어셈블리의 효율은 실질적으로 증가될 수 있다.
여기서도 상기 자석 어셈블리(6)는 하부로부터 상부 방향으로 열 흐름에 상응하게 이동되며, 그럼으로써 하부 자기 열량 재료(4), 또는 중간 평면에 배치되면서 증발기 측뿐만 아니라 응축기 측에도 제공되는 자기 열량 재료는, 자계에서 벗어난 후에, 자기 모멘트가 복귀 배향되는 조건에서 점점 더 냉각되며, 그리고 이런 방식으로 열관들 또는 열 사이펀(100)으로 구성되는 전체 어셈블리의 냉각 또는 냉동 작용 또는 온도 상승은 배가된다.
열관 또는 열 사이펀(100)으로서의 공기 조화 장치의 추가 실시형태에서는, 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4) 자체가 열관 또는 열 사이펀(100)의 하부 폐쇄부로서 제공되며, 다시 말하면 실질적으로 저온 측의 열 교환기(7)에 대해 표면 구성(여기서는 지그재그 형태)의 크기로 열관 또는 열 사이펀(100)의 하부 벽부 부재를 형성한다.
이런 방식으로, 추가로 제공되는 열 도체들(10)과 관련하여, 액상 작동 매체(2)와 관련한 자기 열량 요소(4)의 증발기 작용의 관점에서처럼, 일측의 열 교환기(7)(저온 측)와 타측의 자기 열량 요소 간에 탁월한 열 전도성 연결부가 제공된다.
이런 방식으로, 어셈블리 내부에서의 열 저항은 추가로 감소되며, 그리고 자기 또는 전기 열량 효과는 최대한 이용된다. 여기서도, 자석(6) 또는 상응하는 자계는 자기 열량 재료(4)가 가열되게 하면서 액상 작동 매체(2)에 대한 증발기로서 기능하게 하며, 그 다음 냉각을 위해 자계가 차단되거나, 또는 자석[예: 환형 자석(6)]이 상부 방향으로, 또는 다른 방식으로 이격 이동되며, 그럼으로써 자기 열량 재료 요소(4)는 더 이상 자석의 자계 영역에 위치하지 않게 된다.
상기 열관 또는 열 사이펀(100)은, 경우에 따라 적어도 부분적으로 자기 열량 재료 요소로서 응축기(5)를 추가로 형성하면서 기둥 형태로 적층 배치하는 것을 통해 다중 어셈블리를 형성하기 위해 마찬가지로 특히 적합하다.
상기 사항은, 한편으로 마찬가지로 자기 열량 재료 자체로 열 사이펀 또는 열관(100)의 구조화된 폐쇄부를 형성하면서, 다른 한편으로는 역시 적어도 부분적으로 통합된 열 도체들(10)을 구비하면서 열 교환기(7)(저온 측)에 대한 높은 열 전달 표면을 제공하는 도 7에 따른 추가 실시형태에도 적용된다.
도 6에 따르는 실시예의 경우와 유사하게, 여기서도, 특히 복수의 원추형 자기 열량 요소를 통해 특별한 정도로 확대된 접촉 표면을 통해 증발기로서의 자기 열량 요소(4)의 작용의 관점에서뿐만 아니라 저온 측(7) 쪽으로 향하는 열 도체들의 이용과 관련하여서도 특히 적합한 열 전달 특성이 보장된다.
효과들은 이미 또 다른 실시예들에 대해 앞에서 기재한 효과들에 상응한다.
도 5b에 따르는 실시예에서 단일의 열관 또는 열 사이펀(100)의 내부에서 자기 또는 전기 열량 재료 요소들(4)의 다중 어셈블리에 대해 기둥형 다중 어셈블리와 함께 이미 기재한 것처럼, 고효율성 공기 조화 장치에 대해 특히 효율적인 상기 실시형태는 도 8 내지 도 11에 따라서 재차 개략적으로 도시되고 설명되며, 여기서도 (열 사이펀의 경우, 또는 공간 위치에 따라서) 제1 단부(저온 단부)로부터 제2 단부(고온 단부) 쪽으로 하부로부터 상부 방향으로 지향성 열 흐름의 형성이 핵심 사항이다.
도 8에 초기 상태에 대해 도시되어 있는 것처럼, 열관 또는 열 사이펀(100) 내에서, 제1 전기 또는 자기 열량 재료(하기에서는 항상 자기 열량 재료 및 자계의 사례를 기반으로 한다.)는 부압 상태에 있는 열관 또는 열 사이펀(100) 내부의 작동 매체를 위한 증발기로서 하단부에 위치하며, 바람직하게는 상대적으로 더 높은 퀴리 온도를 가지면서 여기서는 MC 재료(1)로서 지칭되는 추가 자기 열량 재료 요소(4)는 열 사이펀 또는 열관(100)의 상단부 상에 배치되며, 그럼으로써 이미 설명한 것처럼 자계(B 필드) 내에 위치하는 제1 자기 열량 재료[MC 재료(2)]는 가열되면서 그에 따라 증발기로서 작용하고, 열 흐름(Q)은 상부 방향으로 상승하여 자기 열량 재료[MC 재료(1)]에서 응축되며, 액화된 작동 매체의 환류는 중력 힘의 영향하에 다시 하부 방향으로 수행된다.
이런 경우에, 상부 자기 열량 재료(MC 1)의 온도(T1)는 자석(6)의 자계(6) 내에 위치하는 하부 자기 열량 재료(MC 2)의 온도(T2)보다 더 낮다.
다중 어셈블리에 대한 출발점은 이제 상부 방향으로 자계, 즉 상응하는 자석(6)의 변위이며, 그럼으로써 상부 자기 열량 재료(MC 1)는 자기 열량 효과의 이용하에 가열되며, 그에 반해 하부 자기 열량 재료는 자체의 자극(magnetic pole)의 반전하에 냉각되지만, 그러나 이런 경우에 열 수송이나 중력 힘의 영향하에서 작동 매체의 환류는 수행되지 않으며, 오히려 주변에서의 열이 상대적으로 더 낮은 온도(T2)를 갖는 하부 자기 열량 재료로 방출되고 그에 따라 상기 하부 자기 열량 재료는 냉각된다.
상기 효력의 증진 및 하부로부터 상부 방향으로 지향되는 열 흐름의 설계를 위해, 추가로 열관 또는 열 사이펀(100) 역시 열 다이오드로서 밸브 지원 또는 제어 방식으로 추가의 스위칭 가능한 열 흐름을 보유할 수 있으며, 이런 실시예는, 상부 자기 열량 재료(MC 1)의 방향으로 열 흐름(Q)을 안내하기 위해, 액상 작동 매체의 증발로 인한 압력 차이하에 개방되는 것인, 개방되어 있는 밸브(15)에 대한 도 9a에서 제공되며, 그에 반해 도 9b의 우측에는 상부 자기 열량 재료의 가열 및 그에 따라 바람직하게는 볼 밸브로서 형성되는 밸브(15) 상부의 상대적으로 더 높은 압력으로 인한 밸브(15)의 폐쇄된 상태가 도시되어 있다. 또한, 스위칭 가능한 열 흐름을 위해 복수의 밸브 역시도 제공될 수 있다.
도 10에는, 온도-시간 그래프로 한 번 더 자체의 내부에 2개의 자기 열량 재료(MC 1 및 MC 2)를 구비한 열관 또는 열 사이펀(100)의 작동 원리와 그에 따라 전기 또는 자기 열량 효과를 기반으로 하는 공기 조화 장치로서의 작용이 표현되어 있으며, 더욱 정확하게 말하면 효과의 증대를 위한 상응하는 캐스케이드형 어셈블리들의 구성을 위해 하부로부터 상부 방향으로 자계 또는 자석(6)이 변위되는 조건으로 표현되어 있다.
그래프에는 한편으로 열 사이펀 또는 열관(100)의 상단부 상에서 자기 열량 재료(4)(MC 1)에 대한 온도 특성곡선이, 그리고 다른 한편으로는 열관 또는 열 사이펀(100)의 하단부 상에서 하부 자기 열량 재료(4)(MC 2)의 온도 특성곡선이 정성적으로(qualitatively) 명시되어 있으며, 자명한 사실로서 실제로 상기 특성곡선들은 점근적으로(asymptotic), 그리고 협의 비선형(strictly non-linear)으로 연장된다.
도 10의 온도-시간 그래프의 설명으로부터, 공기 조화 장치의 작동 원리가 직접적으로 제시되며, 그에 따라 추가적인 설명은 필요하지 않다.
마지막으로, 도 11에는, 재차 열관들 또는 열 사이펀들(100)의 캐스케이드형 어셈블리가 도시되어 있으며, 더 정확하게 말하면 열관들 또는 열 사이펀들 사이에, 도 11a 및 11b에 따르는 개략도에서 검은색의 가로 바(crossbar)로서 예시되어 있는 열 교환기들(20) 및 조절 가능한 열적 연결부들이 개재되어 있다. 조절 가능한 열 밸브들은 도 9a 및 9b에서의 볼 밸브들(15)과 유사할 수 있거나, 또는 도 11a 및 도 11b의 도면들에서 하부로부터 상부 방향으로 열 흐름의 제어를 위한 또 다른 스위칭 부재들일 수 있다. 이와 동시에, 재차 연속적인 열 수송을 위한 자석(6) 또는 그에 따른 자계의 변위도 도시되어 있다. 조절 가능하거나 스위칭 가능한 열적 연결 부재들(20)은 서로 상이한 방식으로 실현될 수 있으면서 열관들 또는 열 사이펀들(100) 사이의 열적 연결 및 주변으로의 열 대류를 향상시키는데 이용된다.
도 12a 및 도 12b에 도시되어 있고 소정의 방식으로 도 11a 및 도 11b에 따르는 복수의 열관 또는 열 사이펀(100)을 포함하는 실시예의 변형예로서 해석될 수 있는 본 발명의 추가 실시예로서, 도 12a 및 도 12b에 따르는 실시예에서는, 일렬의 작동 영역들(20/1, 20/2 및 20/3)로 분할되는 각각 단일의 열관 또는 단일의 열 사이펀(100)이 도시되어 있으며, 열 사이펀 또는 열관(100)의 분할 개수는 가변적이거나, 또는 열관(100)의 크기가 특별한 적용 목적에 매칭될 수 있다.
각각의 작동 영역(20/1 내지 20/3)은 자기 열량 재료 요소(4)에 의해 범위 한정되며, 여기서도 (도 11a 및 도 11b에 따르는 복수의 열관의 연결에서의 경우처럼) 작동 영역들(20/1 내지 20/3)은 냉각 용량의 배가를 위해 자기 열량 재료 요소(4)를 각각 공통으로 이용함으로써 열 사이펀(100)의 하단부 상의 냉각 본체[열 교환기(20)] 및 열 사이펀(100)의 상단부 상의 가열 본체[열 교환기(20)]로 이어진다.
자기 열량 재료 요소들(4)은, 자체 사이에서 작동 영역들(20/1 내지 20/3) 및 그에 따른 상기 각각의 작동 영역들 내에 위치하는 작동 매체를 고압 밀봉 방식으로 밀폐하기 위해, 열관(100)의 내벽부에 대해 고압 밀봉 방식으로 밀폐하며, 이미 지금까지 설명한 것처럼 조절 가능한 열 밸브들(15)은 작동 영역들(20/1 또는 20/3)(도 12a)의 내부에 제공될 수 있거나, 또는 [열 교환기(20) 또는 중간 작동 영역(20/2)과 관련하여] 또 다른 위치에도 제공될 수 있다. 이런 경우에, 자석 어셈블리들(6)은 이중 자석(double magnet)을 통해 각각 도 12a 및 12b에서 열관들(100)의 대응하는 어셈블리에 대해 도시된 자체의 작용 배열에서 각각 동일한 작동 영역(20/1 내지 20/3)에 속하지 않는 자기 열량 재료 요소들(4)도 조절할 수 있다.
다시 말하면 도 12a의 어셈블리에서, 자기 열량 재료 요소(4/2) 및 "하나 건너 다음의" 자기 열량 재료 요소(4/4)는 자석 어셈블리(6)의 자계의 열 생성 영향을 받으며, 그에 반해 자기 열량 재료 요소들(4/1 및 4/3)은 자계로 조절되지 않고 그에 따라 효과적으로 냉각된다. 도 12b에 따르는 어셈블리에서는, 그 반대로, 자기 열량 재료 요소들(4/1 및 4/3)이 각각 자석 어셈블리(6)의 자계의 영향을 받으며, 그리고 그 위에 위치하는 작동 영역들(20/1 및 20/3) 내의 작동 매체(3)에 대한 열원을 형성한다.
도 11a 및 도 11b 또는 도 12a 및 도 12b에 따른 실시예들에 따르는 어셈블리들은 자명한 사실로서 서로 조합될 수도 있으며, 다시 말하면 열관들이 통합되어, 자체적으로 내부에서 다시금 어느 경우든 부분적으로 복수의 작동 영역, 즉 열관 개별 부재로 구성되는 열관 캐스케이드를 형성할 수 있다.
여기서도, 바람직하게는 수직 방향으로 상부로 갈수록 증가하는 온도 레벨을 기반으로 서로 상이한 퀴리 온도를 갖는 서로 상이한 자기 열량 재료들이 바람직하게 이용된다.
도 13a에는, 도 1 및 도 2의 열관과 유사한 열관이 추가 실시예로서 만곡된 형태로 형성되어 있다. 열관의 형태는 일반적으로 기능에 대한 중요성과 관련하여 위치보다는 덜 중요하다. 도 13b에는, 지점(Z)을 중심으로 회전하는 전계 및/또는 자계의 생성기들을 포함하면서 만곡된 열관들로 구성되는 시스템이 도시되어 있다. 지점(Z)을 중심으로 회전하는 필드 생성기들을 통해 연속적인 열 수송이 실현될 수 있다.
또한, 열 생성기로서 전계 및/또는 자계 내의 전기 및/또는 자기 열량 재료와 작동 매체의 연결에 따르는 본 발명의 또 다른 개선예들에서는, 부정성의 전기 또는 자기 열량 효과를 갖는, 다시 말하면 정확히 반대되는 작용들이 발생하는 것인 전기 또는 자기 열량 재료를 이용할 수도 있으며, 이는 마찬가지로 필드 생성기들의 배치구조의 상응하는 "반전"으로도 이어진다.
일측에서 관습적 "(긍정성의)" 전기 또는 자기 열량 효과 및 부정성의 전기 또는 자기 열량 효과 및/또는 역 열량 효과를 갖는 전기 또는 자기 열량 재료 요소들의 조합 역시도 생각해볼 수 있다. 이런 경우에, 한 실시예에 따르면, 모든 전기 또는 자기 열량 재료 요소가 동시에 전계 및/또는 자계의 영향을 받으면서 유지되거나, 또는 모두 동시에 전계 및/또는 자계의 영향으로부터 벗어날 수도 있으며, 이는, 예컨대 전자석의 이용을 통해서도 바람직하게 형성될 수 있는 것과 같은, 특히 "고정된", 즉 정지된 어셈블리에 도움이 된다.
본 발명을 통해, 열관 또는 열 사이펀의 내부에서 전기 또는 자기 열량 재료들이 밀접하게 연결되며, 더 정확하게 말하면 적어도 하나의 상기 유형의 요소뿐만 아니라 복수의 상기 유형의 요소를 포함하여 캐스케이드형 어셈블리들을 구성하는 특히 효율적인 공기 조화 장치가 제공된다.

Claims (27)

  1. 적어도 하나의 작동 매체를 포함하는 적어도 하나의 열관(100), 특히 열 사이펀을 포함하는 공기 조화 장치에 있어서, 상기 열관은, 상기 열관(100) 내에 통합되어, 특히 상기 열관의 내부에 배치되어 적어도 일시적으로 전계 및/또는 자계의 영향을 받는 적어도 하나의 전기 또는 자기 열량 재료(4)와, 상기 전기 또는 자기 열량 재료(4)와 상기 작동 매체(2) 사이의 제1 열 전달 영역으로부터 상기 작동 매체(2)의 제2 열 전달 영역 쪽으로 지향되는 열 수송부(Q)를 포함하는 것인, 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열관(100)은 복수의 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4)와 적어도 하나의 작동 챔버(2) 사이에 복수의 열 전달 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 열 전달 영역은 상기 열관(100)의 제1 단부, 특히 하단부의 영역에 적어도 하나의 제1 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4)를 포함하고, 상기 제2 열 전달 영역은 상기 열관(100)의 제2 단부, 특히 상단부의 영역에 적어도 하나의 응축기를 포함하며, 특히 상기 열관(100)은 수직 배치구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 응축기는 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4)를 포함하거나, 또는 상기 재료 요소와 연결되거나, 또는 상기 재료 요소로 형성되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 특히 상기 열관(100)의 하단부 상에서 하나의 제1 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4)와 열 전도 방식으로 연결되는 적어도 하나의 제1 열 교환기(7), 특히 냉각 본체; 및 상기 열관(100)의 제2 단부, 특히 상단부 상에서 적어도 하나의 응축기 및/또는 하나의 제2 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4)와 열 전도 방식으로 연결되는 제2 열 교환기(8), 특히 가열 본체를; 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 열 전달 영역과 상기 제2 열 전달 영역 사이의 조절 가능한 열적 연결부(15)를 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 조절 가능한 열적 연결부(15)는 상기 제1 열 전달 영역과 상기 제2 열 전달 영역 사이, 특히 상기 열관(100)의 제1 단부, 바람직하게는 하단부와 제2 단부, 바람직하게는 상단부 사이의 압력 또는 열 밸브(15)인 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 전계 및/또는 자계의 필드 생성기(6)를 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 열 전달 영역, 특히 상기 제1 및/또는 제2 열 전달 영역 내의 제1 또는 제2 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4)의 교호적인 필드 조절을 위해 상기 열관(100)과 전계 및/또는 자계의 상기 필드 생성기(6) 간에 제공되는 상대 이동성을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 특히 전기 또는 자기 열량 재료(4)와 조합되어 제공되는 응축기(8); 및 전기 또는 자기 열량 재료를 포함하거나, 또는 상기 재료로 구성되는 증발기가; 제공되며, 적어도 상기 증발기는 일시적으로 필드 생성기(6)의 전계 및/또는 자계의 영향을 받는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 제1 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4)는 상기 제1 열 전달 영역 내에 제공되고, 제2 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4)는 상기 제2 열 전달 영역 내에 제공되며, 상기 두 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4)는 교호적으로 필드 생성기(6)의 전계 및/또는 자계의 영향을 받는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4)는 인접한 작동 유체(2)에 대해 증가된 접촉 표면을 포함하고, 특히 상기 접촉 표면은 마이크로 구조 또는 나노 구조로 구조화되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 열관(100)은 적어도 하나의 펠티어 소자와 열적 결합으로 연결되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 열관(100), 바람직하게는 직렬연결로, 실질적으로는 수직인 배치구조로 제공되는 복수의 열관을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열관(100)은 스위칭되는 "열 다이오드"(단지 한 방향으로만 열 흐름 수행)로서 형성되어, 특히 상기 열관(100)의 내부에서 상기 열관(100)의 제1 단부로부터 제2 단부쪽으로 지향되는 열 흐름(Q)을 실행하는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 회전으로 인한 원심력의 결과로서 제1 단부, 특히 하단부로부터 제2 단부, 특히 상단부 쪽으로 실행되는 지향성 열 흐름을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 열관(100)의 하우징 및/또는 심지(wick)의 적어도 일부분은 전기 또는 자기 열량 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 통합된 열 도체(10)를 포함하는 전기 또는 자기 열량 재료(4)로 이루어지는, 특히 열 전도성은 충분하지만, 그러나 전기 전도성은 불충분한 재료로 이루어지는 구조화된 증발기를 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 특히 상기 열관(100)의 내부의 섬프 위쪽에 배치되는, 바람직하게는 액상 작동 유체(2)와 기상 작동 유체(3) 사이의 경계면 상의 특히 통합된 열 도체(10)와 열 전달 방식으로 연결되는 전기 또는 자기 열량 재료(4)로 이루어진 구조화된 증발기를 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 전기 또는 자기 열량 재료(4)로 이루어진 상기 열관의 구조화된 폐쇄부가 제공되며, 열 교환기 요소(7)와 열 전달 방식으로 접촉하는 상기 구조화된 폐쇄부의 내부에는 특히 복수의 열 도체(10)가 구비되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  21. 제1항 내지 제20항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 열량 재료(4)의 내부에 복수의 전기 절연체 요소(4b), 특히 평행 브레이스(brace)를 포함하는 열관(100)을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  22. 제1항 내지 제21항 중 적어도 어느 한 항에 있어서 2개의 연속되는 열관(100) 사이의 적어도 하나의 특히 조절 가능한 열적 연결 부재(15; 20)를 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  23. 제2항 내지 제22항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 열관(100) 내에는, 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4)를 통해 각각 범위 한정되는 복수의 작동 영역(20/1 내지 20/3)이 제공되며, 각각의 작동 영역에는 작동 유체가 수용되며, 특히 상기 열관(100)은 상기 전기 또는 자기 열량 재료 요소(4)를 통해 고압 밀봉 방식으로 밀폐되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 열관(100)의 적어도 하나의 작동 영역(20/1 내지 20/3) 내의 조절 가능한 열적 연결부(15)를 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  25. 제1항 내지 제24항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 부정성의 전기 또는 자기 열량 효과 및/또는 역 열량 효과를 갖는 전기 또는 자기 열량 재료가 적어도 부분적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  26. 제25항에 있어서, 비가역 및 역 전기 또는 자기 열량 효과, 및 스위칭 가능한 필드 생성기(6) 및 열관(10)의 고정된 어셈블리와, 상기 열관(10) 내부의 전기 또는 자기 열량 재료를 조합하여 이용하는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
  27. 제1항 내지 제26항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 또는 자기 열량 재료(4)는, 자체의 퀴리 온도로, 상기 전기 또는 자기 열량 재료(4)가 그 내부에 배치되는 상기 열관(100)의 각각의 국부 온도 범위 또는 작동 영역에 매칭되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 열관, 특히 열 사이펀을 포함한 공기 조화 장치.
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