KR20180087676A - 자기 냉각 시스템 - Google Patents

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KR20180087676A KR1020170012002A KR20170012002A KR20180087676A KR 20180087676 A KR20180087676 A KR 20180087676A KR 1020170012002 A KR1020170012002 A KR 1020170012002A KR 20170012002 A KR20170012002 A KR 20170012002A KR 20180087676 A KR20180087676 A KR 20180087676A
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손창우
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 자기 냉각 시스템에 관한 것으로서, 열전달유체가 통과하도록 형성되고, 상기 열전달유체와 열교환하는 자기열량재료가 내장된 하나 이상의 자기열교환기; 상기 자기열량재료에 선택적으로 자기장을 인가하는 자기장 인가부; 실린더 및 상기 실린더 내에서 상기 실린더의 길이방향으로 왕복운동하는 피스톤을 구비하고, 상기 자기열교환기에 열전달유체를 공급하도록 형성된 펌프; 및 상기 자기열량재료로 열을 방출하여 냉각된 열전달유체가 안내되는 저온열교환부를 포함하고, 상기 실린더의 외주면에 복수개의 방열핀이 구비된 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템에 관한 것이다.

Description

자기 냉각 시스템{Magnetic cooling system}
본 발명은 자기 냉각 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로, 열전달유체를 가압하는 펌프에서 열전달유체의 방열이 이루어져서, 열전달유체의 방열을 위한 고온열교환부를 별도로 필요로 하지 않는 자기 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 자기 냉각 시스템은 자기열량재료에 자기장을 인가할 때 상기 자기열량재료로부터 발생되는 열량, 및 상기 자기열량재료에 인가된 자기장을 소거할 때 상기 자기열량재료에 의해 흡수되는 열량을 이용하는 시스템을 나타낸다.
즉, 자기냉동이란, 특정 자기열량재료(또는 자성체)에 자계를 주면 자기열량재료가 발열하고, 자계를 제거하면 자기열량재료가 흡열하여 주변 온도(예를 들어, 열전달유체의 온도)가 내려가는 현상(즉, 자기열량효과, MCE, Magnetocaloric Effect)을 이용한 것이다. 이러한 자기냉동은 프레온이나 플론을 사용하지 않기 때문에 환경에 유익한 냉동기술로서 주목받고 있다.
기열량재료는 상기 자기열량재료를 통과하는 열전달유체와 열교환하도록 형성될 수 있다.
자기열량재료에 자기장이 인가될 때 상기 자기열량재료는 발열반응을 하며, 상기 자기열량재료를 통과하는 열전달유체는 가열될 수 있다.
이와 달리, 상기 자기열량재료에 인가된 자기장을 소거할 때 상기 자기열량재료는 흡열반응을 하며, 자기열량재료를 통과하는 열전달유체는 냉각될 수 있다.
도 1은 종래의 자기 냉각 시스템(한국공개특허공보 제10-2013-0108765호)을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 마그네트(2)가 자기재생기(1)로 이동하여 자기재생기(1)에 자기장을 인가하면 열전달유체는 유체이송장치(5)에 의해 반시계 방향으로 순환한다. 자기재생기(1)로 유입된 열전달유체는 자기장이 인가된 자기재생기(1)에서 발생된 열을 흡수한 뒤, 고온측열교환기(3)에 도달하여 자기재생기(1)로부터 흡수한 열을 주위로 방출한다. 고온측열교환기(3)에서 주위로 열을 방출한 열전달유체는 저온측열교환기(4)를 거쳐 자기재생기(1)로 유입된다.
이와 달리, 마그네트(2)가 자기재생기(1)로부터 이탈하여 자기재생기(1)의 자기장이 제거되면 열전달유체는 유체이송장치(5)에 의해 시계 방향으로 순환한다. 자기재생기(1)로 유입된 열전달유체는 자기장이 제거된 자기재생기(1)로 열을 전달하고 냉각된 상태로 저온측열교환기(4)에 도달하여 주위의 열을흡수한다. 저온측열교환기(4)에서 주위의 열을 흡수한 열전달유체는 고온측열교환기(3)를 거쳐 자기재생기(1)로 유입되며, 이와 같은 과정으로 1회의 열교환싸이클이 완성된다. 이와 같은 열교환사이클이 지속적으로 반복되는 과정을 통해 난방 또는 냉방에 필요한 고온 또는 저온을 얻게 된다.
한편, 자기 냉각 시스템은 주로 열전달유체의 냉각에 의한 냉열을 저온측열교환기(4)에서 사용하고자 하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 저온측열교환기(4)에서 열전달유체가 냉각이 필요한 대상과 열교환하여 냉각이 필요한 대상이 냉각될 수 있다.
고온측열교환기(3)는 상기 저온측열교환기(4)에서 주위의 열을 흡수한 열전달유체를 방열하기 위한 구성에 해당한다.
따라서, 자기 냉각 시스템을 통해 열전달유체를 효율적으로 냉각하고 열전달유체의 냉열을 저온측열교환기(4)에서 지속적으로 사용하기 위해서는, 고온측열교환기(3)에서 열전달유체가 지속적으로 방열될 필요가 있다.
종래의 자기 냉각 시스템은 열전달유체의 방열을 위해 상기 고온측열교환기(3)를 반드시 필요로 한다.
즉, 종래의 자기 냉각 시스템에 따르면, 상기 고온측열교환기(3)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요한 문제점이 있다.
또한, 종래의 자기 냉각 시스템에 따르면, 상기 고온측열교환기(3)의 배치로 인한 배관구조가 복잡해지고 제조비용이 올라가는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고온측열교환기 없이도 열전달유체의 방열이 효과적으로 수행될 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명은 열전달유체를 가압하는 펌프를 통해 열전달유체를 방열할 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고온측열교환기의 배치를 위한 별도의 공간을 필요로하지 않는 자기 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 열전달유체를 안내하는 배관구조가 간소화되고, 제조비가 절감되는 자기 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위한 것으로서, 열전달유체가 통과하도록 형성되고, 상기 열전달유체와 열교환하는 자기열량재료가 내장된 하나 이상의 자기열교환기; 상기 자기열량재료에 선택적으로 자기장을 인가하는 자기장 인가부; 실린더 및 상기 실린더 내에서 상기 실린더의 길이방향으로 왕복운동하는 피스톤을 구비하고, 상기 자기열교환기에 열전달유체를 공급하도록 형성된 펌프; 및 상기 자기열량재료로 열을 방출하여 냉각된 열전달유체가 안내되는 저온열교환부를 포함하고, 상기 실린더의 외주면에 복수개의 방열핀이 구비된 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템을 제공한다.
이때, 상기 복수개의 방열핀은 상기 실린더와 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 펌프는 외부로 노출될 수 있다. 즉, 상기 펌프는 외부 공기에 노출되도록 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실린더 및 상기 복수 개의 방열핀은 금속으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 실린더 및 상기 복수 개의 방열핀은 알루미늄으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 방열핀은 상기 실린더의 반경방향 외측으로 연장하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자기 냉각 시스템은 상기 펌프의 일측에 구비되는 방열 팬을 더 포함할 수 있다.
상기 자기열교환기는 열전달유체의 유동방향을 따라 순차적으로 배열된 복수 개의 자기열교환부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 복수 개의 자기열교환부에는 서로 다른 큐리온도를 가지는 자기열량재료가 구비될 수 있다.
상기 저온열교환부측에 상대적으로 더 가까운 자기열교환부에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도는 상기 펌프에 상대적으로 더 가까운 자기열교환부에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도보다 낮은 것이 바람직하다.
상기 자기열교환기 내측에는 상기 복수 개의 자기열교환부를 구획하기 위한 복수 개의 파티션이 열전달유체의 유동방향에 수직으로 구비될 수 있다.
상기 자기열교환기는 서로 나란히 배치된 제1자기열교환기 및 제2자기열교환기를 포함할 수 있다.
이때, 상기 자기장 인가부에 의해 상기 제1자기열교환기에 자기장이 인가 또는 소거될 때, 상기 제2자기열교환기에 자기장이 소거 또는 인가될 수 있다.
상기 펌프에 의해 열전달유체가 상기 제1자기열교환기를 향해 가압될 때, 상기 자기장 인가부에 의해 상기 제1자기열교환기에 자기장이 소거되고 상기 제2자기열교환기에 자기장이 인가될 수 있다. 그리고, 열전달유체는 상기 제1자기열교환기 및 상기 제2자기열교환기를 순차적으로 통과한 후에 상기 펌프로 안내될 수 있다.
상기 펌프에 의해 열전달유체가 상기 제2자기열교환기를 향해 가압될 때, 상기 자기장 인가부에 의해 상기 제1자기열교환기에 자기장이 인가되고 상기 제2자기열교환기에 자기장이 소거될 수 있다. 그리고, 열전달유체는 상기 제2자기열교환기 및 상기 제1자기열교환기를 순차적으로 통과한 후에 상기 펌프로 안내될 수 있다.
상기 저온열교환부는 상기 제1자기열교환기 및 상기 제2자기열교환기 사이에 구비되는 제1저온열교환부 및 제2저온열교환부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1자기열교환기를 통해 냉각된 열전달유체는 상기 제1저온열교환부로 안내되고, 상기 제2자기열교환기를 통해 냉각된 열전달유체는 상기 제2저온열교환부로 안내될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고온측열교환기 없이도 열전달유체의 방열이 효과적으로 수행될 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 열전달유체를 가압하는 펌프를 통해 열전달유체를 방열할 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고온측열교환기의 배치를 위한 별도의 공간을 필요로하지 않는 자기 냉각 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 열전달유체를 안내하는 배관구조가 간소화되고, 제조비가 절감되는 자기 냉각 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 자기 냉각 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템의 제1상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템의 제2상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 자기장 인가부의 작동 원리를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자기열교환기에 구비되는 주요 구성들을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템의 제1상태를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템의 제2상태를 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 2는 펌프의 구동에 의해 열전달유체가 자기냉각시스템을 특정 방향(시계방향)으로 순환하는 모습을 나타내는 도면이고, 도 3은 펌프의 구동에 의해 열전달유체가 자기냉각시스템을 도 2와 반대 방향으로(반시계방향)으로 순환하는 모습을 나타내는 도면이다.
설명의 편의를 위하여, 이하에서, 자기장의 인가는 "착자"를 의미하고 자기장의 소거는 "탈자"를 의미할 수 있다.
도 2 및 3을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템(10)은 자기열량재료를 구비하는 하나 이상의 자기열교환기(110, 120), 상기 자기열량재료에 선택적으로 자기장을 인가하는 자기장 인가부(210, 220), 상기 자기열교환기(110, 120)에 열전달유체를 공급하는 펌프(500), 상기 자기열량재료로 열을 방출한 열전달유체가 안내되는 저온열교환부(310, 320)를 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 자기열교환기(110, 120)는 열전달유체가 통과하도록 형성될 수 있다. 열전달유체가 상기 자기열교환기(110, 120)를 통과하는 과정에서 상기 열전달유체는 상기 자기열교환기(110, 120) 내에 배치되는 자기열량재료와 열교환할 수 있다. 상기 자기열량재료는 자기장의 인가 또는 소거에 따라 발열반응 또는 흡열반응을 하는 강자성체를 나타낼 수 있다.
구체적으로, 상기 하나 이상의 자기열교환기(110, 120)는 제1자기열교환기(110) 및 제2자기열교환기(120)를 포함할 수 있다. 상기 제1자기열교환기(110)와 제2자기열교환기(120)는 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 도시된 실시예에서 상기 제1자기열교환기(110)와 제2자기열교환기는 서로 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1자기열교환기(110)와 상기 제2자기열교환기(120)에는 후술할 자기장 인가부(210, 220)에 의해 자기장이 인가되거나, 자기장이 소거될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1자기열교환기(110)와 상기 제2자기열교환기(120)에 동시에 자기장이 인가되거나 소거될 수 있다. 이와 달리, 도시된 바와 같이, 제1자기열교환기(110)에 자기장이 인가될 때 제2자기열교환기(120)에는 자기장이 소거되고, 제1자기열교환기(110)에 자기장이 소거될 때 상기 제2자기열교환기(120)에는 자기장이 인가될 수도 있다.
상기 자기장 인가부(210, 220)는 상기 자기열량재료에 선택적으로 자기장을 인가하도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 자기장 인가부(210, 220)는 상기 자기열량재료가 내장된 상기 하나 이상의 자기열교환기(110, 120)의 외측에 배치되어 상기 자기열교환기(110, 120)에 자기장을 선택적으로 인가할 수 있다.
상기 자기장 인가부(210, 220)에 의해 상기 하나 이상의 자기열교환기(110, 120)에 자기장이 인가되면 상기 자기열교환기(110, 120) 내에 구비되는 자기열량재료에도 자기장이 인가될 수 있다. 마찬가지로, 상기 자기장 인가부(210, 220)에 의해 상기 하나 이상의 자기열교환기(110, 120)에 인가된 자기장이 소거되면 상기 자기열교환기(110, 120) 내에 구비되는 자기열량재료에 인가된 자기장도 소거될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 자기장 인가부(210, 220)는 상기 제1자기열교환기(110) 둘레에 배치되는 제1자기장 인가부(210) 및 상기 제2자기열교환기(120) 둘레에 배치되는 제2 자기장 인가부(220)를 포함할 수 있다. 상기 제1 자기자 인가부(210)와 상기 제2 자기장 인가부(220)는 서로 반대로 작동될 수 있다.
즉, 상기 제1 자기장 인가부(210)가 상기 제1자기열교환기(110) 내측을 향해 자기장을 인가할 때, 상기 제2 자기장 인가부(220)는 상기 제2자기열교환기(120) 내측에 인가된 자기장을 소거할 수 있다. 반대로, 상기 제1 자기장 인가부(210)가 상기 제1자기열교환기(110)에 인가된 자기장을 소거할 때, 상기 제2 자기장 인가부(220)는 상기 제2자기열교환기(120)에 자기장을 인가할 수 있다.
상기 자기장 인가부(210, 220)는 영구자석 또는 전자석으로 형성될 수 있다. 이러한 자기장 인가부(210, 220)의 구조에 대해서는 이하 다른 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 펌프(500)는 상기 하나 이상의 자기열교환기(110, 120)를 향해 열전달유체를 공급하도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 펌프(500)는 열전달유체를 가압하여 상기 하나 이상의 자기열교환기(110, 120)를 향해 유동시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 펌프(500)는 실린더(510) 및 상기 실린더(510) 내에서 상기 실린더(510)의 길이방향으로 왕복운동하는 피스톤(520)을 포함할 수 있다. 상기 펌프(500)의 작동에 기초하여 열전달유체는 상기 제1자기열교환기(110) 및 상기 제2자기열교환기(120)를 향해 순방향 또는 역방향으로 공급될 수 있다.
예를 들어, 상기 피스톤(520)이 상기 실린더(510)의 길이방향 일측으로 움직일 때, 열전달유체는 상기 제1자기열교환기(110) 및 상기 제2자기열교환기(120)를 순차적으로 통과할 수 있다. 이와 달리, 상기 피스톤(520)이 상기 실린더(510)의 길이방향 타측으로 움직일 때, 열전달유체는 상기 제2자기열교환기(120) 및 상기 제1자기열교환기(110)를 순차적으로 통과할 수 있다.
펌프(500)의 작동과 자기장 인가부(210, 220)의 작동은 서로 동기화될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 펌프(500)가 상기 펌프(500)의 길이방향 일측으로 열전달유체를 공급할 때, 상기 제1 자기장 인가부(210)는 제1자기열교환기(110)에 자기장을 인가하고 상기 제2 자기장 인가부(220)는 상기 제2자기열교환기(120)에 인가된 자기장을 소거할 수 있다.
상기 저온열교환부(310, 320)는 자기열량재료로 열을 방출하여 냉각된 열전달유체가 안내되도록 배치될 수 있다. 상기 저온열교환부(310, 320)는 상기 제1자기열교환기(110) 및 상기 제2자기열교환기(120) 사이에 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 저온열교환부(310, 320)는 제1저온열교환부(310) 및 제2저온열교환부(320)를 포함할 수 있다. 상기 제1저온열교환부(310)와 상기 제2저온열교환부(320)는 서로 병렬로 배치될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 펌프(500)의 작동에 기초하여 상기 제1 자기장 인가부(210)가 제1자기열교환기(110)에 인가된 자기장을 소거하면, 상기 제1자기열교환기(110) 내의 자기열량재료는 흡열반응을 한다. 이때, 상기 제1자기열교환기(110)를 통과하는 열전달유체는 상기 자기열량재료와 열교환을 통해 냉각될 수 있다.
제1자기열교환기(110)를 통해 냉각된 열전달유체는 상기 제1저온열교환부(310)로 전달될 수 있다. 상기 제1저온열교환부(310)에서 상기 열전달유체의 냉열은 냉열의 사용처에 공급될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1저온열교환부(310)의 일측에 팬이 구비될 수 있다. 이때, 상기 팬의 구동에 의해 상기 제1저온열교환부(310)를 통과하는 열전달유체와 공기가 열교환할 수 있다. 상기 열전달유체와의 열교환을 통해 냉각된 공기는 냉열의 사용처로 공급될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 펌프(500)의 작동에 기초하여 상기 제2 자기장 인가부(220)가 제2자기열교환기(120)에 인가된 자기장을 소거하면, 상기 제2자기열교환기(120) 내의 자기열량재료는 흡열반응을 한다. 이때, 상기 제2자기열교환기(120)를 통과하는 열전달유체는 상기 자기열량재료와 열교환을 통해 냉각될 수 있다.
제2자기열교환기(120)를 통해 냉각된 열전달유체는 상기 제1저온열교환부(320)로 전달될 수 있다. 상기 제2저온열교환부(320)에서 상기 열전달유체의 냉열은 냉열의 사용처에 공급될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2저온열교환부(320)의 일측에 팬이 구비될 수 있다. 이때, 상기 팬의 구동에 의해 상기 제2저온열교환부(320)를 통과하는 열전달유체와 공기가 열교환할 수 있다. 상기 열전달유체와의 열교환을 통해 냉각된 공기는 냉열의 사용처로 공급될 수 있다.
상기와 같이, 열전달유체의 냉열은 공기를 통해 냉열의 사용처에 공급될 수 있다. 이와 달리, 열전달유체의 냉열은 히트파이프 등을 통해 냉열의 사용처에 공급될 수도 있다.
한편, 열전달유체가 자기 냉각 시스템을 순환하면서 지속적으로 냉각되기 위해서는 상기 저온열교환부(310, 320)에서 열전달유체로 흡수된 열을 방열하기 위한 구성이 요구된다.
종래의 자기 냉각 시스템은 고온열교환부와 같은 구성을 통해 열전달유체를 방열시켰다.
본 발명에 다른 자기 냉각 시스템은 열전달유체의 방열을 위한 구성으로서, 펌프(500)에 복수 개의 방열핀(530)이 구비될 수 있다. 구체적으로, 펌프(500)를 구성하는 실린더(510)의 외주면에 복수 개의 방열핀(530)이 구비될 수 있다. 따라서, 열전달유체는 상기 펌프(500)를 통과하는 과정에서 방열될 수 있다.
상기 복수 개의 방열핀(530)은 상기 실린더(510)의 반경방향 외측으로 연장하도록 형성될 수 있다. 또한, 열전달유체의 방열 효율을 높이기 위하여, 서로 이웃하는 방열핀(530)은 기설정된 거리로 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 방열핀(530)은 상기 실린더(510)와 일체로 형성되거나, 상기 실린더(510)와 별도로 제작되어 상기 실린더(510)에 결합될 수 있다. 펌프(500)에서 열전달유체의 방열효율을 높이기 위해서는, 상기 복수 개의 방열핀(530)이 상기 실린더(510)와 일체로 형성되는 것이 바람직하다.
펌프(500)에서 열전달유체의 방열효율을 높이기 위하여, 상기 실린더(510) 및 상기 복수 개의 방열핀(530)은 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 실린더(510) 및 상기 복수 개의 방열핀(530)은 알루미늄으로 형성될 수 있다.
펌프(500)에서 열전달유체를 방열시키기 위하여, 상기 펌프(500)는 외부로 노출될 수 있다. 즉, 상기 펌프(500)는 외부 공기에 노출되도록 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 펌프(500)에서 열전달유체의 방열 효율을 높이기 위하여, 상기 펌프(500)의 일측에 방열팬(400)이 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템(10)은 펌프(500)의 일측에 배치되는 방열팬(400)을 더 포함할 수 있다. 상기 방열팬(400)의 구동에 의해 외부 공기가 상기 펌프(500)의 외주면을 향해 공급될 수 있다.
전술한 복수 개의 방열핀(530) 및 방열팬(400)에 의해 펌프(500)를 통과하는 열전달유체가 효율적으로 방열될 수 있다. 펌프(500)를 통해 방열된 열전달유체는 다시 제1자기열교환기(110) 또는 제2자기열교환기(120)로 공급되어 냉각될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 펌프(500)의 작동에 기초하여 상기 제2 자기장 인가부(220)가 제2자기열교환기(120)에 자기장을 인가하면, 상기 제2자기열교환기(120) 내의 자기열량재료는 발열반응을 한다. 이때, 상기 제2자기열교환기(120)를 통과하는 열전달유체는 상기 자기열량재료와 열교환을 통해 가열될 수 있다.
그리고, 제2자기열교환기(120)를 통해 가열된 열전달유체는 펌프(500)로 안내되어 방열될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 펌프(500)의 작동에 기초하여 상기 제1 자기장 인가부(210)가 제1자기열교환기(110)에 자기장을 인가하면, 상기 제2자기열교환기(110) 내의 자기열량재료는 발열반응을 한다. 이때, 상기 제1자기열교환기(110)를 통과하는 열전달유체는 상기 자기열량재료와 열교환을 통해 가열될 수 있다.
그리고, 제1자기열교환기(110)를 통해 가열된 열전달유체는 상기 펌프(500)로 안내되어 방열될 수 있다.
상기 펌프(500)와 상기 제1자기열교환기(110)는 제1유로(L1) 및 제2유로(L2)를 통해 연결될 수 있다. 상기 제1유로(L1) 및 상기 제2유로(L2)는 병렬로 배치될 수 있다.
상기 제1유로(L1)에는 상기 펌프(500)로부터 상기 제1자기열교환기(110)를 향하는 방향으로 형성된 제1체크밸브(601)가 구비될 수 있다. 상기 제2유로(L2)에는 상기 제1자기열교환기(110)로부터 상기 펌프(500)를 향하는 방향으로 형성된 제2체크밸브(602)가 구비될 수 있다.
상기 제1자기열교환기(110)와 상기 제2자기열교환기(120)는 제3유로(L3) 및 제4유로(L4)를 통해 연결될 수 있다. 상기 제3유로(L3) 및 상기 제4유로(L4)는 병렬로 배치될 수 있다.
상기 제3유로(L3)에는 상기 제1자기열교환기(110)로부터 상기 제2자기열교환기(120)를 향하는 방향으로 형성된 제3체크밸브(603) 및 전술한 제1저온열교환부(310)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 제3유로(L3)는 상기 제1저온열교환부(310)를 통과할 수 있다.
상기 제4유로(L4)에는 상기 제2자기열교환기(120)로부터 상기 제1자기열교환기(110)를 향하는 방향으로 형성된 제4체크밸브(504) 및 전술한 제2저온열교환부(320)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 제4유로(L4)는 상기 제2저온열교환부(320)를 통과할 수 있다.
상기 제2자기열교환기(120)와 상기 펌프(500)는 제5유로(L5) 및 제6유로(L6)를 통해 연결될 수 있다. 상기 제5유로(L5) 및 상기 제6유로(L6)는 서로 병렬로 배치될 수 있다.
상기 제5유로(L5)에는 상기 제2자기열교환기(120)로부터 상기 펌프(500)를 향하는 방향으로 형성된 제5체크밸브(605)가 구비될 수 있다. 상기 제6유로(L6)에는 상기 펌프(500)로부터 상기 제2자기열교환기(120)를 향하는 방향으로 형성된 제6체크밸브(606)가 구비될 수 있다.
이하, 펌프(500) 작동에 기초한 열전달유체의 순환 과정에 대하여 설명한다.
우선, 도 2를 참조하면, 펌프(500)의 작동에 기초하여 열전달유체는 자기 냉각 시스템(10)을 시계방향으로 순환될 수 있다.
펌프(500) 내의 피스톤(510)이 실린더(520)의 일단부로 움직이면, 열전달유체는 제1유로(L1)를 통해 제1자기열교환기(110)로 유동한다. 이때, 상기 제1 자기장 인가부(210)에 의해 상기 제1자기열교환기(110)에 인가된 자기장은 소거되고, 상기 제1자기열교환기(110)를 통과하는 열전달유체는 냉각된다. 냉각된 열전달유체는 제3유로(L3)를 통해 제1저온열교환부(310)로 유동하여 냉열을 방출한 후에 제2자기열교환기(120)로 안내된다. 이때, 상기 제2 자기장 인가부(220)에 의해 상기 제2자기열교환기(120)에 자기장이 인가되고, 상기 제2자기열교환기(120)를 통과하는 열전달유체는 가열된다.
상기 제2자기열교환기(120)에서 가열된 열전달유체는 제5유로(L5)를 통과하여 펌프(500)로 안내될 수 있다. 상기 열전달유체의 온열의 일부는 상기 제5유로(L5)를 통과하는 과정에서 방열되고, 상기 열전달유체의 온열의 나머지는는 상기 펌프(500)에서 방열될 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 펌프(500)의 작동에 기초하여 열전달유체는 자기 냉각 시스템(10)을 반시계방향으로 순환될 수 있다.
펌프(500) 내의 피스톤(510)이 실린더(520)의 타단부로 움직이면, 열전달유체는 제6유로(L6)를 통해 제2자기열교환기(120)로 유동한다. 이때, 상기 제2 자기장 인가부(210)에 의해 상기 제2자기열교환기(120)에 인가된 자기장은 소거되고, 상기 제2자기열교환기(120)를 통과하는 열전달유체는 냉각된다. 냉각된 열전달유체는 제4유로(L4)를 통해 제2저온열교환부(320)로 유동하여 냉열을 방출한 후에 제1자기열교환기(110)로 안내된다. 이때, 상기 제1 자기장 인가부(210)에 의해 상기 제1자기열교환기(1100에 자기장이 인가되고, 상기 제1자기열교환기(110)를 통과하는 열전달유체는 가열된다.
상기 제1자기열교환기(110)에서 가열된 열전달유체는 제2유로(L2)를 통과하여 펌프(500)로 안내될 수 있다. 상기 열전달유체의 온열의 일부는 상기 제2유로(L2)를 통과하는 과정에서 방열되고, 상기 열전달유체의 온열의 나머지는 상기 펌프(500)에서 방열될 수 있다.
상기와 같이, 펌프(500)의 작동에 기초하여 열전달유체가 도 2 및 에 도시된 화살표를 따라서 점진적으로 시계방향 및 반시계방향으로 순환할 수 있다. 즉, 실린더(510)의 길이방향 일 단부를 향하는 피스톤(520)의 움직임은 기설정된 거리만큼 열전달유체를 시계방향으로 유동시킨다. 또한, 실린더(520)의 길이방향 타 단부를 향하는 피스톤(520)의 움직임은 기설정된 거리만큼 열전달유체를 반시계방향으로 유동시킨다. 이러한 피스톤(500)의 왕복운동에 의해, 열전달유체가 자기 냉각 시스템(10)을 시계방향 및 반시계방향으로 계속적으로 순환할 수 있다.
이하, 다른 도면을 참조하여, 전술한 자기장 인가부(210. 220)의 구조에 대하여 설명한다.
도 4는 자기장 인가부의 작동 원리를 나타내는 도면이다.
전술한 제1자기장 인가부(210)와 제2자기장 인가부(220)는 서로 동일한 형태로 형성될 수 있다. 다만, 제1 자기장 인가부(210)가 제1자기열교환기(110)에 자기장을 인가 또는 소거할 때, 상기 제2 자기장 인가부(220)는 상기 제2자기열교환기(120)에 자기장을 소거 또는 인가할 수 있다.
설명의 편의를 위하여, 제1 자기장 인가부(210)를 기준으로 설명한다.
제1 자기장 인가부(210)는 영구자석으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 자기장 인가부(210)는 상기 제1자기열교환기(110) 둘레에 배치되는 회전 자석(211) 및 상기 회전 자석(211) 둘레에 배치되는 고정 자석(212)을 포함할 수 있다. 상기 회전 자석(211) 및 상기 고정 자석(212)은 모두 영구자석 어레이로 형성될 수 있다.
상기 회전 자석(211)은 도시되지 않은 모터에 의해 회전될 수 있다. 상기 회전 자석(211)의 회전구동은 전술한 펌프(500)의 작동과 동기화될 수 있다.
도 4에 표시된 화살표는 자기력선의 방향을 나타낸다. 즉, 상기 회전 자석(211)의 자기력선의 방향과 상기 고정 자석(212)의 자기력선의 방향이 일치하면 상기 제1자기열교환기(110)에 자기장이 인가(착자)될 수 있다. 반대로, 상기 회전 자석(211)의 자기력선의 방향과 상기 고정 자석(212)의 자기력선의 방향이 반대로 되면, 상기 제1자기열교환기(110)에 자기장이 소거(탈자)될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 회전 자석(211)의 회전에 기초하여, 제1자기열교환기(110)에 대한 자기장의 인가 및 소거가 반복될 수 있다.
제2 자기장 인가부(220) 역시 전술한 제1 자기장 인가부(210)와 동일한 형태로 형성될 수 있다. 다만, 제2 자기장 인가부(220)에 의한 착자 및 탈자는 상기 제1 자기장 인가부(210)와 반대로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 제1 자기장 인가부(210)가 착자 또는 탈자될 때 상기 제2 자기장 인가부(220)는 탈자 또는 착자될 수 있다.
이하, 다른 도면을 참조하여, 전술한 자기열교환기(110, 120)에 구비되는 주요 구성들에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자기열교환기에 구비되는 주요 구성들을 나타내는 도면이다. 이하 설명될 구성은 제1자기열교환기(110) 및 제2자기열교환기(120) 모두에 적용될 수 있다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 제1자기열교환기(110)만을 기준으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 상기 제1자기열교환기(110)의 적어도 일 단부에는 다공판(700)이 구비될 수 있다. 상기 다공판(700)은 상기 제1자기열교환기(110)로 유입되는 열전달유체의 유동을 균일화하도록 형성될 수 있다. 펌프의 구동에 따라서 열전달유체의 유동방향이 반복적으로 바뀌므로, 상기 다공판(700)은 상기 제1자기열교환기(110)의 양 단부에 구비되는 것이 바람직하다.
상기 다공판(700)은 열전달유체의 유동방향에 수직으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 다공판(700)은 상기 제1자기열교환기(110)를 통과하는 열전달유체의 유동방향에 수직으로 배치될 수 있다. 다시 말해서, 상기 다공판(700)은 상기 제1자기열교환기(110)의 연장방향에 수직으로 배치될 수 있다. 따라서, 열전달유체는 상기 제1자기열교환기(110)로 유입되기 전에 상기 다공판(700)을 통과할 수 있다.
구체적으로, 상기 다공판(700)은 복수 개의 홀(710)을 구비하는 바디(720)를 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 홀(710)은 열전달유체의 유동방향을 따라서 상기 바디(720)를 관통하도록 형성될 수 있다. 상기 복수 개의 홀(710)은 원형 또는 다각형으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 전술한 제1유로(L1) 및 제2유로(L2)는 제1자기열교환기(110)의 일측에서 연결유로(CL)를 통해 합지될 수 있다. 한편, 상기 연결유로(CL)의 직경은 상기 다공판(700)의 직경보다 작을 수 있다. 따라서, 상기 연결유로(CL)와 상기 다공판(700)은 커넥터(730)로 연결될 수 있다. 상기 커넥터(730)는 상기 연결유로(CL)를 향하는 단부의 직경이 상기 다공판(700)을 향하는 단부의 직경보다 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 커넥터(730)는 원추(cone) 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 커넥터(730)는 상기 다공판(730)과 일체로 형성될 수 있다.
상기 다공판(730)은 상기 제1자기열교환기(110)의 일 단부에 용접 또는 볼트와 같은 체결부재를 통해 결합될 수 있다.
따라서, 열전달유체는 상기 연결유로(CL), 상기 커넥터(730) 및 상기 다공판(700)을 순차적으로 경유하여 상기 제1자기열교환기(110)로 유입될 수 있다.
도 5에는, 설명의 편의를 위하여, 상기 연결유로(CL), 상기 커넥터(730) 및 상기 다공판(700)이 제1자기열교환기(110)의 일 단부에 구비되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 상기 연결유로(CL), 상기 커넥터(730) 및 상기 다공판(700)은 제1자기열교환기(110)의 양 단부 및 제2자기열교환기(120)의 양 단부에 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 제1자기열교환기(110)는 열전달유체의 유동방향을 따라 순차적으로 배열된 복수 개의 자기열교환부(111, 112, 113, 114)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 복수 개의 자기열교환부(111, 112, 113, 114)는 상기 제1자기열교환기(110)의 길이방향을 따라 배열될 수 있다.
예를, 상기 제1자기열교환기(110)는 일 단부에서 타 단부를 향해 제1자기열교환부(111), 제2자기열교환부(112), 제3자기열교환부(113) 및 제4자기열교환부(114)가 순차적으로 그리고 서로 독립적으로 배치될 수 있다.
이때, 상기 복수 개의 자기열교환부(111, 112, 113, 114)에는 서로 다른 큐리 온도를 가지는 자기열량재료(M1, M2, M3, M4)가 구비될 수 있다.
예를 들어, 제1자기열교환부(111)에는 제1자기열량재료(M1)가 구비되고, 제2자기열교환부(112)에는 제2자기열량재료(M2)가 구비되고, 제3자기열교환부(113)에는 제3자기열량재료(M3)가 구비되고, 제4자기열교환부(114)에는 제4자기열량재료(M4)가 구비될 수 있다.
따라서, 제1자기열교환기(110)를 통과하는 과정에서, 열전달유체의 온도는 상기 복수 개의 자기열량재료(M1, M2, M3, M4) 각각의 큐리온도에 근접한 온도로 각각의 자기열량재료자기열량재료(M1, M2, M3, M4)를 통과할 수 있다.
구체적으로, 저온열교환부(310, 320) 측에 상대적으로 더 가까운 자기열교환부에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도는 펌프(500) 측에 상대적으로 더 가까운 자기열교환부에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도보다 낮은 것이 바람직하다.
다시 말해서, 저온열교환부(310, 320)로부터 상대적으로 가까이 배치된 자기열교환부에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도는 저온열교환부(310, 320)로부터 상대적으로 멀리 배치된 자기열교환부에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도보다 낮은 것이 바람직하다.
도시된 실시예에서, 저온열교환부(310, 320) 측에 상대적으로 더 가까운 제4자기열교환부(114)에 구비되는 제4자기열량재료(M4)의 큐리온도는 펌프(500) 측에 상대적으로 더 가까운 제1자기열교환부(111)에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도보다 낮을 수 있다.
즉, 제1자기열량재료(M1)에서 제4 자기열량재료(M4)로 갈수록 자기열량재료의 큐리온도는 점진적으로 낮아질 수 있다.
도시되어 있지는 않으나, 제2자기열교환기(120)에도 복수 개의 자기열교환부 및 서로다른 큐리온도를 가지는 복수 개의 자기열량재료가 구비될 수 있다. 제2자기열교환기(120)에서도, 저온열교환부(310, 320) 측에 상대적으로 더 가까운 자기열교환부에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도는 펌프(500) 측에 상대적으로 더 가까운 자기열교환부에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도보다 낮은 것이 바람직하다.
상기 제1자기열교환기(110)의 내측에는 복수 개의 자기열교환부(111, 112, 113, 114)를 구획하기 위한 복수 개의 파티션(P1, P2, P3)이 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1자기열교환기(110)의 내측에 4개의 자기열교환부(111, 112, 113, 114)를 구획하기 위해서는 3개의 파티션(P1, P2, P3)이 마련될 수 있다.
상기 복수 개의 파티션(P1, P2, P3)은 기설정된 거리로 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 상기 복수 개의 파티션(P1, P2, P3)은 열전달유체의 유동방향에 수직으로 구비될 수 있다.
이때, 상기 복수 개의 파티션(P1, P2, P3) 각각은 열전달유체를 통과시키는 메쉬부(810) 및 상기 메쉬부(810)를 지지하는 지지부(820)를 포함할 수 있다.
열전달유체는 상기 메쉬부(810)를 통과할 수 있다. 또한, 상기 지지부(820)는 상기 메쉬부(810)의 둘레에서 상기 메쉬부(810)를 지지하며, 상기 파티션이 상기 제1자기열교환기(110)의 내측에 고정되도록 할 수 있다.
예를 들어, 상기 지지부(820)의 횡단면은 원형 또는 다각형으로 형성될 수 있다. 상기 지지부(820)는 상기 제1자기열교환기(110)의 내측에 용접 또는 억지끼움 방식을 통해 고정될 수 있다. 즉, 각각의 파티션(P1, P2, P3)은 제1자기열교환기(110) 내에 용접 또는 억지끼움 방식을 통해 고정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 지지부(820)의 횡단면은 상기 파티션의 외측으로 갈수록 두께가 증가하는 삼각형의 횡단면을 구비할 수 있다. 따라서, 상기 파티션이 제1자기열교환기(110) 내측에 견고하게 고정될 수 있고, 상기 파티션을 통과하는 열전달유체의 유로저항이 감소될 수 있다.
제1자기열교환기(110)만을 기준으로 설명하였으나, 제2자기열교환기(120)에도 전술한 구성과 동일한 구성이 적용될 수 있음은 자명하다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
110 제1자기열교환기 120 제2자기열교환기
210 제1자기장인가부 220 제2자기장인가부
310 제1저온열교환부 320 제2저온열교환부
400 방열팬 500 펌프
530 방열핀

Claims (14)

  1. 열전달유체가 통과하도록 형성되고, 상기 열전달유체와 열교환하는 자기열량재료가 내장된 하나 이상의 자기열교환기;
    상기 자기열량재료에 선택적으로 자기장을 인가하는 자기장 인가부;
    실린더 및 상기 실린더 내에서 상기 실린더의 길이방향으로 왕복운동하는 피스톤을 구비하고, 상기 자기열교환기에 열전달유체를 공급하도록 형성된 펌프; 및
    상기 자기열량재료로 열을 방출하여 냉각된 열전달유체가 안내되는 저온열교환부를 포함하고,
    상기 실린더의 외주면에 복수개의 방열핀이 구비된 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 방열핀은 상기 실린더와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실린더 및 상기 복수 개의 방열핀은 금속으로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실린더 및 상기 복수 개의 방열핀은 알루미늄으로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 방열핀은 상기 실린더의 반경방향 외측으로 연장하도록 형성된 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 펌프의 일측에 구비되는 방열 팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 펌프는 외부 공기에 노출되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자기열교환기는 열전달유체의 유동방향을 따라 순차적으로 배열된 복수 개의 자기열교환부를 포함하고,
    상기 복수 개의 자기열교환부에는 서로 다른 큐리온도를 가지는 자기열량재료가 구비되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 저온열교환부측에 상대적으로 더 가까운 자기열교환부에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도는 상기 펌프에 상대적으로 더 가까운 자기열교환부에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자기열교환기 내측에는 상기 복수 개의 자기열교환부를 구획하기 위한 복수 개의 파티션이 열전달유체의 유동방향에 수직으로 구비되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 자기열교환기는 서로 나란히 배치된 제1자기열교환기 및 제2자기열교환기를 포함하고,
    상기 자기장 인가부에 의해 상기 제1자기열교환기에 자기장이 인가 또는 소거될 때, 상기 제2자기열교환기에 자기장이 소거 또는 인가되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 펌프에 의해 열전달유체가 상기 제1자기열교환기를 향해 가압될 때,
    상기 자기장 인가부에 의해 상기 제1자기열교환기에 자기장이 소거되고 상기 제2자기열교환기에 자기장이 인가되며,
    열전달유체는 상기 제1자기열교환기 및 상기 제2자기열교환기를 순차적으로 통과한 후에 상기 펌프로 안내되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 펌프에 의해 열전달유체가 상기 제2자기열교환기를 향해 가압될 때,
    상기 자기장 인가부에 의해 상기 제1자기열교환기에 자기장이 인가되고 상기 제2자기열교환기에 자기장이 소거되며,
    열전달유체는 상기 제2자기열교환기 및 상기 제1자기열교환기를 순차적으로 통과한 후에 상기 펌프로 안내되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 저온열교환부는 상기 제1자기열교환기 및 상기 제2자기열교환기 사이에 구비되는 제1저온열교환부 및 제2저온열교환부를 포함하고,
    상기 제1자기열교환기를 통해 냉각된 열전달유체는 상기 제1저온열교환부로 안내되고, 상기 제2자기열교환기를 통해 냉각된 열전달유체는 상기 제2저온열교환부로 안내되는 것을 특징으로 하는 자기 냉각 시스템.
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