KR20180123134A - 자기열량 장치 - Google Patents

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KR20180123134A
KR20180123134A KR1020187030493A KR20187030493A KR20180123134A KR 20180123134 A KR20180123134 A KR 20180123134A KR 1020187030493 A KR1020187030493 A KR 1020187030493A KR 20187030493 A KR20187030493 A KR 20187030493A KR 20180123134 A KR20180123134 A KR 20180123134A
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플로리안 샤프
랄프 보링
마르쿠스 슈빈드
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바스프 에스이
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Abstract

본 발명은 변화되는 외부 자계를 제공하도록 배치되는 자계 발생기 및 자기열량 재생기 배치구조체를 포함하는 자기열량 장치에 관한 것이다. 자기열량 재생기 배치구조체는 자기열량 요소를 포함하고, 자기열량 요소는 자기열량 재료를 포함하고, 자기열량 재생기 배치구조체는 자계 발생기의 변화되는 외부 자계에 노출되도록 배치된다. 또한, 본 발명은, 자기열량 장치가 단열 수단을 더 포함하고, 자기열량 재생기 배치구조체가 단열 수단에 의해 기밀식으로 둘러싸이도록 단열 수단이 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

자기열량 장치
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 자기열량 장치(magnetocaloric device), 특히 자기열량 히트 펌프(magnetocaloric heat pump)에 관한 것이다.
자기열량 재료(magnetocaloric materials)는, 외부 자계의 적용시 및 제거시에 그 온도가 변화되기 때문에, 열을 펌핑하는데 사용될 수 있다.
적절한 자기열량 재료에 대한 외부 자계의 인가하에서, 또한 그 퀴리(Curie) 온도 부근의 주위 온도하에서 자기열량 효과가 발생한다. 인가된 외부 자계는, 자기열량 재료의 무작위로 정렬된 자기 모멘트의 무질서한 상자성 위상(paramagnetic phase)으로부터 정돈된 강자성 위상(ferromagnetic phase)으로의 정렬을 야기하고, 그에 따라 재료의 주위 온도보다 높은 퀴리 온도의 유도 증가로서 설명될 수도 있는 자기 위상 전이(magnetic phase transition)를 야기한다. 이 자기 위상 전이는 자기 엔트로피 ΔSmag의 감소를 의미하며, 거의 단열인 공정(주위 온도로부터의 열적 격리)에 있어서는, 단열 조건하에서 엔트로피를 보존하기 위해 포논(phonon) 생성에 의해 자기열량 재료의 결정 격자의 엔트로피 기여의 증가로 이어진다. 따라서, 외부 자계를 인가한 결과로서, 자기열량 재료의 온도 상승(ΔT)이 발생한다.
기술적인 냉각 용례에 있어서, 이러한 부가적인 열은 주위 히트 싱크로의 열전달에 의해 재료로부터 제거된다. 열은 열전달 매체에 의해 재료로부터 주위 히트 싱크로 운반된다. 자기열량 재료로부터의 열 제거에 사용되는 열전달 매체의 일례는 물(water)이다. 0℃보다 낮은 온도의 경우, 물에는 에틸렌 또는 프로필렌 글리콜, 에탄올, 또는 소금과 같은 부동액 첨가제가 첨가될 수 있다.
이어서, 외부 자계를 제거하는 것은, 퀴리 온도를 자기열량 재료의 초기 온도보다 낮게 다시 낮추는 것으로서 설명될 수 있으며, 그에 따라 자기 모멘트가 무작위한 배열로 다시 되돌아가게 된다. 외부 자계는, 시스템 내의 전체 엔트로피가 변동없이 그대로 유지됨을 의미하는, 거의 단열인 조건, 즉 주위 온도로부터의 열적 격리하에서 제거된다. 자기 엔트로피는 외부 자계 없이 그 시작 레벨까지 증가하기 때문에, 자기열량 재료 자체의 결정 격자의 엔트로피 기여는 감소되고, 그에 따라 거의 단열인 공정 조건하에서는, 초기 온도보다 낮은 자기열량 재료의 냉각이 초래된다.
자화(magnetization) 및 자기소거(demagnetization)를 포함하여 설명한 공정 사이클은 통상적으로 장치 용례에서 주기적으로 수행된다.
문헌 US 2012/0031107 A1은 적어도 2개의 자기열량 요소를 포함하는 적어도 하나의 열 모듈(thermal module)을 구비한 열 발생기(thermal generator)를 설명한다. 열 발생기는, 적어도 2개의 자기 조립체를 포함하고, 그중 하나의 자기 조립체가 열 모듈의 적어도 하나의 자기열량 요소로 하여금 자기 위상의 교번을 겪게 하는 것을 특징으로 한다. 열 발생기는 또한, 자기 조립체들을 서로 열적으로 단열시켜서, 하나의 자기 조립체 및 그 상응하는 자기열량 요소를 포함하는 열적으로 단열된 셀을 형성하는 열적 단열체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
종래 기술의 디자인은 개선될 수 있다. 본 발명의 목적은 개선된 자기열량 장치를 만드는 것이다. 특히, 자기열량 재료의 환경과 자기열량 재료 자체 사이의 온도차에 의해 야기되는 열 누설을 줄이는 것이 본 발명의 목적이다.
청구항 1에서 규정되는 바와 같은 자기열량 장치를 갖는 본 발명에 따라 목적이 달성된다.
본 발명은 하기의 구성요소를 포함하는 자기열량 장치, 특히 자기열량 히트 펌프를 제공한다:
- 변화되는 외부 자계, 바람직하게는 주기적으로 변화되는 외부 자계를 제공하도록 배치되는, 바람직하게는 자석 조립체에 의해 형성되는 자계 발생기,
- 자기열량 요소, 바람직하게는 복수의 자기열량 요소를 포함하는 자기열량 재생기 배치구조체로서, 자기열량 요소는 자기열량 재료를 포함하고, 자기열량 재생기 배치구조체는 자계 발생기의 변화되는 외부 자계에 노출되도록 배치되는, 자기열량 재생기 배치구조체.
본 발명에 따르면, 자기열량 장치는 하기의 구성요소를 더 포함한다:
- 단열 수단으로서, 단열 수단은 자기열량 재생기 배치구조체가 단열 수단에 의해 기밀식으로 둘러싸이도록 배치되는, 단열 수단.
본 발명에 따른 자기열량 장치는, 유리하게는 자기열량 재료를 포함하는 자기열량 요소 주위에 단열 수단을 제공한다. 특히, 자기열량 요소와 자석 조립체 및/또는 주위 환경과의 사이의 열전도율은 자기열량 요소를 둘러싸는 단열 수단이 없는 자기열량 장치에 비해 감소된다.
본 발명에 따른 자기열량 장치는, 감소된 열전도율을 제공함으로써 열 누설량을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 정해진 작업 입력에 대하여 더 많은 열이 펌핑될 수 있고, 결국 자기열량 장치의 효율이 개선된다. 낮은 열전도율 외에도, 자기열량 장치의 부품들의 낮은 열전달이 자기열량 장치의 전체 열전달 계수를 유리하게 감소시킬 수 있다. 특히, 단열 수단은, 주위 환경에 의해 열적으로 연결되는 서로 다른 온도의 시스템내 구성요소들 사이의 또는 주위에 대한 결로, 결빙 또는 열전달을 방지 또는 감소시킬 수 있다. 자연 대류에 대한 열전달 계수는 통상 10 W/㎡/K 미만이다. 대조적으로, 응축으로 인한 열전달은, 통상 100,000 W/㎡/K보다 큰 열전달 계수를 초래하고, 회전 자계 발생기에 의해 강제되는 대류는 100 W/㎡/K를 초과하는 열전달 계수를 초래할 수 있다. 따라서, 단열 수단이 응축으로 인한 열전달 및/또는 회전 자계 발생기에 의해 강제되는 대류를 감소시킬 수 있는 자기열량 장치를 제공하는 것이 특히 유리하다.
자기열량 장치의 최고 온도 구배는, 주기적으로 변화되는 외부 자계에 의해 기동되는 자화 및 자기소거 단계 동안 자기열량 재료의 가열 및 냉각에 따라, 자기열량 요소의 주위에 생기는 것이 일반적이다. 따라서, 자기열량 요소의 주위에 단열 수단을 제공하는 것이 특히 유리하다.
단열 수단의 추가적인 장점은 자기열량 재생기 배치구조체가 물, 먼지 또는 오물과 같은 환경의 영향으로부터 보호된다는 점이다. 이는, 자기열량 장치의 실외 사용을 허용하거나 또는 습도가 높은 실내에서의 자기열량 장치의 사용에 대하여 특히 유리하다.
본 발명에 따른 자기열량 장치는 냉각 장치로서 또는 가열 장치로서 사용되도록 배치되는 자기열량 히트 펌프일 수 있다. 특히, 자기열량 장치는 와인 쿨러, 냉장고, 냉동고 또는 에어-컨디셔너일 수 있다.
하기에서는, 본 발명의 청구항 1에 따른 자기열량 장치의 개량을 설명한다.
바람직한 개량에 있어서, 자기열량 장치는, 유체를 제1 채널을 통해 자기열량 재생기 배치구조체로 배향시키는 한편, 유체를 제2 채널을 통해 자기열량 재생기 배치구조체로부터 멀리 배향시키도록 배치되는, 적어도 제1 및 제2 채널을 포함하는 유체 배향 시스템을 더 포함하고, 단열 수단은 적어도 제1 및 제2 채널을 통한 유체의 통과를 위한 통과-유동부(flow-through)를 더 포함한다. 적어도 제1 및 제2 채널은, 통상 유체 배향 시스템의 유체 유동을 통과-유동부를 통해 단열 수단 외부의 열교환기에 제공하도록 배치된다. 단열 수단에 의해 열교환기의 열교환을 방해하지 않기 위해, 단열 수단의 외부에 열교환기를 배치하는 것이 특히 유리하다.
바람직한 개량에 있어서, 단열 수단은 단열 케이싱이다. 바람직한 변형예의 단열 케이싱은 자기열량 재생기 배치구조체와 적어도 부분적으로 접촉하지 않는다. 또한, 단열 케이싱은 단열재로 충전되어 있거나, 또는 충전되도록 조정된다. 단열 케이싱은 인클로저(enclosure) 또는 실드(shield)일 수 있으며, 예를 들어 유리, 금속 또는 플라스틱과 같은 다양한 재료로 제조될 수 있다. 단열 케이싱은 단열재로서 공기 또는 추가적인 유체로 충전되는, 발포체(foam)로서 제공될 수도 있다. 이 케이싱은 자기열량 재생기 배치구조체가 단열 케이싱에 의해 기밀식으로 둘러싸이도록 용이하게 배치될 수 있기 때문에, 단열 케이싱을 제공하는 것이 유리하다. 따라서, 본 발명에 따른 자기열량 장치는 종래의 자기열량 장치에 비해 저렴하고 간단한 부가적인 제조 스텝으로 이어질 수 있다.
이전의 개량의 바람직한 변형예에 있어서, 단열재는 대기보다 낮은 열전도율을 갖는다. 이는 자기열량 재생기 배치구조체의 열적 단열을 제공하는데 특히 유리하다. 다른 변형예에 있어서, 단열재는, 예를 들어 발포체로 충전되는 단열 케이싱의 경우에는, 보다 높은 열전도율을 갖는다.
대안적인 개량에 있어서, 단열 수단은 자기열량 재생기 배치구조체와 완전히 접촉하는 단열 코팅이다. 단열 코팅은, 예를 들어 발포체, 바니시(varnish), 페인트(paint) 또는 포일(foil)일 수 있다. 단열 코팅은, 비, 먼저 또는 오물과 같은 환경의 영향에 대하여 자기열량 요소를 유리하게 보호할 수 있다. 자동화된 제조 스텝에 의해 자기열량 배치구조체를 기밀식으로 둘러싸는 단열 코팅을 제공하는 것은 특히 간단하다.
자기열량 장치의 바람직한 개량에 있어서, 통과-유동부는 단열 케이싱과 적어도 제1 및 제2 채널과의 사이에 갭을 남기도록 배치되고, 갭을 밀봉하기 위해 밀봉 부재가 배치된다. 이 개량의 변형예에 있어서, 적어도 제1 및 제2 채널은 케이싱에 대하여 회전되도록 구성되고, 밀봉 부재는 단열 케이싱에 대하여 갭을 밀봉하면서 적어도 제1 및 제2 채널의 회전을 허용하는 회전 밀봉부로서 또는 밀봉용 베어링으로서 형성된다. 이는, 자기열량 재생기 배치구조체에 대하여 자계 발생기를 회전시키는 크랭크샤프트에 제1 및 제2 채널이 통합되는, 자기열량 장치에 대하여 특히 유리할 수 있다.
또한, 밀봉 부재는 구성요소를 단열 케이싱으로부터 열적으로 분리하기 위해 선택될 수 있다. 이 개량의 변형예에 있어서, 이는 단열 재료 및 샤프트를 제조하는 재료에 비해 낮은 열전도율을 가진 재료를 사용해서 실현된다. 이는 비교적 낮은 열전도율을 가진 세라믹 재료, 중합성 재료, 금속 또는 금속 합금, 또는 그 조합일 수 있다. 또한, 형상은, 유리하게는 구성요소로부터 단열 케이싱으로의 열전도를 위한 단면이 거의 존재하지 않거나, 또는 다공성 또는 중공 구조체가 적어도 제1 및 제2 채널과 단열 케이싱 사이의 열적 연결을 감소시킬 수 있게 하는 형상일 수 있다.
더 바람직한 개량에 있어서, 자기열량 장치는 단열 케이싱에 배치되고 단열 케이싱을 단열재로 충전할 수 있게 구성되는 충전 밸브를 더 포함한다. 충전 밸브는 자기열량 장치를 단열재로 충전하기 위한 편리한 방식을 제공할 수 있다. 변형예에 있어서, 충전 밸브는 또한, 단열 케이싱의 비우기, 특히 적절한 단열재 보관함 내로의 비우기를 허용하도록 구성된다. 이는 자기열량 장치의 부품을 보수하거나 또는 단열재를 교체하기 위해 유리한 것일 수 있다. 이 개량의 충전 밸브는, 자기열량 장치의 작동 중에, 밀봉 밸브에 의해 제공되는 단열 케이싱의 밸브 개구를 밀봉하도록 배치된다. 바람직한 변형예에 있어서, 단열 케이싱은 충전 밸브의 디자인에 관련되게 구성되는 각각의 충전 장치를 사용함으로써 해당 충전 밸브를 통해서만 충전될 수 있다.
추가적인 개량에 있어서, 단열재는 건성 가스(dry gas)이다. 이 개량의 변형예에 있어서, 건성 가스는 건조 공기 및/또는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 또는 크세논과 같은 불활성 가스를 포함한다. 25℃의 온도에서 약 0.024 W/(mK)의 열전도율을 갖는 대기에 비해, 아르곤은 25℃의 온도에서 약 0.016 W/(mK)의 열전도율을 갖고, 크립톤은 25℃의 온도에서 약 0.009 W/(mK)의 열전도율을 갖는다. 따라서, 이 변형예의 단열재는 자기열량 요소 둘레의 열전도율을 유리하게 감소시킬 수 있다.
추가적인 개량에 있어서, 단열재는 발포체, 바람직하게는 가스와 결합된 발포체를 포함한다. 이 개량의 변형예에 있어서, 발포체는 단열재의 유리하게 낮은 열전도율을 초래할 수 있는, 예를 들어 분쇄된 흑연과 같은 고형물과 결합된다.
자기열량 장치의 추가적인 개량에 있어서, 단열 수단에, 바람직하게는 단열 수단 내부에 배치되는 캐리어에 건조제가 제공된다. 건조제는 부가적으로 단열재의 건조를 지원할 수 있다. 따라서, 건조제는 자기열량 요소 둘레의 열전도율을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 자기열량 장치의 효율을 유리하게 개선할 수 있다. 건조제는, 이 개량의 바람직한 변형예에 있어서는, 단열 수단 내부의 캐리어에 유리하게 배치될 수 있는 불활성 물질에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 그에 따라, 캐리어에 배치되는 건조제는 단열재의 건조를 지원하기 위해 단열재와도 접촉한다. 또한, 건조제의 다른 장점은, 누설 및 그에 따른 단열 수단 내로의 습기의 점진적인 침투의 경우에 작동 중에 및 수일 및 수년의 작동 후에 시스템에 대한 유지보수를 행하지 않고도 이 습기를 건조시킬 수 있다는 점이다. 건조제의 비제한적인 예시로서는, 실리카, 실리카 겔, 염화 칼슘, 금속 유기 프레임워크 재료, 단열 수단 내부에 배치된 분자 체, 산화 알루미늄, 칼슘, 산화 칼슘, 수산화 칼슘, 황산 칼슘, 탄산 칼륨, 수산화 칼륨, 황산 구리, 수소화 알루미늄 리튬, 수산화 나트륨, 황산 나트륨, 황산 마그네슘, 제올라이트 및 초흡수성 물질이 있다.
추가적인 바람직한 개량에 있어서, 자계 발생기 및 자기열량 재생기 배치구조체는 모두 단열 수단 내에 위치된다. 이 개량의 바람직한 변형예에 있어서, 자계 발생기는 제1 및 제2 자성체를 포함하고, 자기열량 재생기 배치구조체는 제1 및 제2 자성체에 의해 형성되는 자기 갭 내에 배치된다. 자기 갭은 단열 수단 내에 위치되어서, 결과적으로 단열 수단이 자기 갭 내에 위치되지 않기 때문에, 이 개량에 있어서는 자기 갭이 작아질 수 있다. 자기 갭을 감소시키면, 외부 자계가 증가된다. 따라서, 작은 자기 갭은 자기열량 장치의 효율을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 자기열량 장치의 작동 중에 발생하는 비용을 감소시킬 수 있다. 특히, 이 개량의 자계 발생기는, 자기 갭이 작으면, 작은 크기로 제공될 수 있다. 이로써, 자계 발생기의 재료 및 제조 비용이 감소될 수 있다. 이 개량의 단열 수단은 단열 케이싱에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 단열 케이싱은 단열재가 자기열량 장치의 작은 자기 갭 내부에도 제공될 수 있게 한다.
자기열량 장치의 추가적인 개량에 있어서, 자기열량 장치의 추가적인 부품은 모두 단열 수단 내에 위치된다. 추가적인 부품은, 자기열량 재생기 배치구조체를 자계 발생기에 대하여 회전시키는 모터 및 모터를 자기열량 재생기 배치구조체 또는 자계 발생기와 연결하는 크랭크샤프트일 수 있다. 자기열량 장치의 유체 배향 시스템에 연결되는 열교환기는 이 개량에 따른 추가적인 부품은 아니다. 단열 재료에 의해 열교환기의 열교환을 방해하지 않기 위해, 열교환기는 단열 수단 외부에 배치된다. 바람직하게는, 이 개량의 자기열량 장치의 단열 수단은, 단열 수단 내부의 모터에 단열 수단의 외부로부터 전력을 제공하기 위해 전기 커넥터에 대한 접근(access)을 제공하도록 구성된다.
추가적인 개량에 있어서, 단열 케이싱은 진공 가능한 진공 챔버로서 형성된다. 단열 케이싱 내 가스의 열전도율은, 가스 내부의 입자의 평균 자유 행로(mean free path)가 단열 케이싱의 벽들간의 거리 또는 단열 케이싱 내의 다른 구성요소들, 바람직하게는 상대 온도가 서로 상이한 상기 부품들간의 거리, 더 바람직하게는 자기열량 재생기와 자석 조립체 사이의 거리, 특히 최단 거리보다 크면, 압력 레벨에만 의존, 즉 비례한다. 따라서, 자기 갭이 작을수록, 열전도율과 압력 레벨 사이의 비례 의존성을 잃지 않고 압력 레벨이 더 커질 수 있다. 중간 진공에서는 입자의 평균 자유 행로가 수 미터보다 클 수 있다. 따라서, 단열 케이싱 내의 가스 입자의 양을 줄임으로써, 대기압보다 낮은 압력 레벨에 따라 열전도율이 감소될 수 있다. 유체 내의 입자의 평균 자유 행로는 또한, 입자의 질량에 의존한다. 따라서, 평균 자유 행로를 줄여서 단열재의 열전도율을 낮추기 위해, 단열재로서 무거운 가스를 사용하는 것이 유리할 수 있다.
바람직한 개량에 있어서, 자기열량 장치는, 자기열량 장치의 작동 중에 자기열량 재생기 배치구조체와 자계 발생기를 서로에 대하여 이동시키도록 구성 및 배치되는 크랭크샤프트를 포함하고, 단열 수단은 단열 수단의 외부측으로부터 크랭크샤프트에의 접근을 허용한다. 해당 접근은 단열 수단의 추가적인 개구에 의해 제공되는 것이 바람직하고, 개구는 단열 수단과 크랭크샤프트 사이에 샤프트 갭을 남기도록 배치되고, 샤프트 갭을 밀봉하기 위해 샤프트 밀봉 부재가 배치된다. 변형예에 있어서, 샤프트 밀봉 부재는 단열 수단에 대하여 갭을 밀봉하면서 크랭크샤프트의 회전을 허용하는 회전 밀봉부로서 또는 밀봉용 베어링으로서 형성된다.
또한, 샤프트 밀봉은 샤프트를 단열 수단으로부터 열적으로 분리하기 위해 형성될 수 있다. 변형예에 있어서, 이는 단열 재료 및 샤프트를 제조하는 재료에 비해 낮은 열전도율을 가진 재료를 사용해서 실현된다. 이는 낮은 열전도율을 가진 세라믹 재료, 중합성 재료, 금속 또는 금속 합금, 또는 그 조합일 수 있다. 또한, 형상은, 유리하게는 샤프트로부터 단열 수단으로의 열전도를 위한 단면이 거의 존재하지 않거나, 또는 다공성 또는 중공 구조체가 크랭크샤프트와 단열 수단 사이의 열적 연결을 감소시킬 수 있게 하는 형상일 수 있다.
추가적인 개량에 있어서, 자기열량 장치는, 자계 발생기 및 자기열량 재생기 배치구조체를 지지하도록 배치되는 지지 구조체를 더 포함하고, 단열 수단은 단열 수단의 외부측으로부터 지지 구조체에의 접근을 허용해서 외부 물체에 대한 자기열량 장치의 부착을 허용한다. 지지 구조체는 자기열량 장치의 견고성을 향상시킬 수 있다. 이 개량에 따른 접근은 지지 구조체를 나사에 의해 외부 물체에 부착하도록 제공되는 나사 구멍에 의해 제공될 수 있다. 변형예에 있어서, 지지 구조체는 또한, 시간의 경과에 따라 단열 수단과 자기열량 재생기 배치구조체 사이에 일정한 거리를 제공하도록 배치된다.
추가적인 개량에 있어서, 자기열량 장치는 추가적인 자기열량 요소를 포함하는 적어도 하나의 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체를 포함하고, 자기열량 요소는 자기열량 재료를 포함하고, 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체는 변화되는 외부 자계에 노출되도록 배치되고, 추가적인 단열 수단은 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체가 단열 수단 내에 위치되도록 제공된다. 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체는 외부 자계에 노출되는 자기열량 재료의 총량을 증가시켜서 자기열량 장치의 효율을 증가시킬 수 있다. 대안으로서, 제1 자기열량 재생기 배치구조체 및 임의의 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체 모두에 대하여 하나의 단열 수단이 제공될 수 있다. 이는 상기와 같은 결합된 시스템의 비용을 줄일 수 있다.
단열 케이싱은 금속, 바람직하게는 시트 금속과 같은 박형의 금속, 바람직하게는 스테인리스 스틸로 제조될 수 있다. 대안으로서, 플라스틱, 바람직하게는 PVC, ABS, Ultrason 등과 같은 엔지니어링 플라스틱이 사용될 수 있다. 단열 케이싱은 또한, 자기열량 히트 펌프의, 또는 자기열량 히트 펌프가 그 일부분이 되는 장치의 다른 구성요소의 일부분일 수 있다. 이는, 예를 들어 일반적으로 냉장고, 에어-컨디셔너, 또는 히트 펌프의 하우징 또는 단열재 또는 지지 구조체일 수 있다.
본 발명은 이하에 기술되는 실시형태를 참조하여 분명해지며 또한 설명될 것이다.
이하에서, 도면은:
도 1은 단열 케이싱이 자계 발생기의 자기 갭 내에 위치되는, 본 발명에 따른 자기열량 장치의 제1 실시형태를 도시하고;
도 2는 자계 발생기 및 자기열량 재생기 배치구조체가 단열 케이싱 내에 위치되고, 자기열량 장치의 모터가 단열 케이싱 외부에 위치되는, 본 발명에 따른 자기열량 장치의 제2 실시형태를 도시하고;
도 3은 자계 발생기, 자기열량 재생기 배치구조체 및 자기열량 장치의 모터가 단열 케이싱 내에 위치되는, 본 발명에 따른 자기열량 장치의 제3 실시형태를 도시한다.
도 1은 단열 케이싱(110)에 의해 형성되는 단열 수단(105)이 자계 발생기(120)의 자기 갭(125) 내에 위치되는, 본 발명에 따른 자기열량 장치(100)의 제1 실시형태를 도시한다.
이 제1 실시형태의 자기열량 장치(100)는, 제1 자석 조립체(126)와 제2 자석 조립체(128) 사이에 자기 갭(125)을 포함하는 자계 발생기(120), 및 자기 갭(125) 내에 배치되는 자기열량 재생기 배치구조체(130)를 포함하는 자기열량 히트 펌프이다. 자기열량 재생기 배치구조체(130)는 복수의 자기열량 요소(132)를 포함하고, 각각의 자기열량 요소(132)는 자기열량 재료(135)를 포함하고, 자기열량 재생기 배치구조체(130)는 자계 발생기(120)에 의해 제공되는 주기적으로 변화되는 외부 자계(122)에 노출되도록 배치된다.
자기열량 장치(100)는, 저온 유체를 제1 채널(141)을 통해 자기열량 재생기 배치구조체(130)로 배향시키고, 해당 저온 유체를 제2 채널(142)을 통해 자기열량 재생기 배치구조체(130)로부터 멀리 배향시키고, 고온 유체를 제3 채널(143)을 통해 자기열량 재생기 배치구조체(130)로 배향시키고, 해당 고온 유체를 제4 채널(144)을 통해 자기열량 재생기 배치구조체(130)로부터 멀리 배향시키도록 배치되는, 제1 채널(141), 제2 채널(142), 제3 채널(143) 및 제4 채널(144)을 포함하는 유체 배향 시스템(140)을 더 포함한다. 그에 따라, 유체는 자기열량 히트 펌프(100)의 공정 사이클의 자화 단계 및 자기소거 단계에 따라 배향되고, 해당 공정 사이클은 종래 기술에 의해 잘 알려져 있다. 제2 채널(142)을 통해 자기열량 재생기 배치구조체(130)로부터 멀리 배향되는 저온 유체는, 해당 저온 유체가 제1 채널(141)을 통해 자기열량 재생기 배치구조체(130)로 다시 배향되기 전에, 제1 열교환기(146)로 배향된다. 제4 채널(144)을 통해 자기열량 재생기 배치구조체(130)로부터 멀리 배향되는 고온 유체는, 해당 고온 유체가 제3 채널(143)을 통해 자기열량 재생기 배치구조체(130)로 다시 배향되기 전에, 펌프(147)에 의해 제2 열교환기(148)로 배향된다.
본 발명에 따르면, 자기열량 장치(100)는 단열 케이싱(110)을 더 포함하고, 자기열량 재생기 배치구조체(130)는 단열 케이싱(110) 내에 위치되고, 단열 케이싱(110)은 자기열량 재생기 배치구조체(130)가 제1 채널(141), 제2 채널(142), 제3 채널(143) 및 제4 채널(144)을 통한 유체의 통과를 위한 통과-유동부(150)를 갖는 단열 케이싱(110)에 의해 기밀식으로 둘러싸이도록 배치된다. 통과-유동부(150)는 단열 케이싱(110)과 채널들(141, 142, 143, 144) 사이에 갭을 남기도록 배치되고, 갭을 밀봉하기 위해 유동 밀봉 부재(155)가 배치된다. 또한, 단열 케이싱(110)은 대기보다 낮은 열전도율을 갖는 단열재(160)로 충전된다.
도시된 실시형태에 있어서, 단열재(160)는 건조 공기이고, 단열 케이싱(110) 내부에 배치되는 캐리어(168)에는 부가적으로 건조제(165)가 제공된다. 건조제(165)는, 단열재(160)의 열전도율을 낮추기 위해, 건조 공기의 습도를 부가적으로 감소시킨다. 도시되지 않은 실시형태에 있어서는, 단열 케이싱이 진공 가능한 진공 챔버로서 형성된다.
단열 케이싱(110)은 자계 발생기(120)의 자기 갭(125) 내에 배치된다. 자기열량 장치(100)의 모터(170)는 전기 커넥터(175)에 의해 전원 장치(도시되지 않음)에 연결되고, 제1 및 제2 자석 조립체(126, 128)에 부착되는 크랭크샤프트(180)를 회전시킴으로써 자기열량 장치의 작동 중에 자계 발생기(120)의 제1 및 제2 자석 조립체(126, 128)를 회전시키도록 배치된다. 단열 케이싱(110)은 단열 케이싱(110)의 외부측으로부터 크랭크샤프트(180)에의 접근을 허용한다. 해당 접근은 단열 케이싱(110)의 제1 및 제2 개구(182, 184)에 의해 제공되고, 제1 및 제2 개구(182, 184)는 단열 케이싱(110)과 크랭크샤프트(180) 사이에 샤프트 갭을 남기도록 배치되고, 각각의 샤프트 갭을 밀봉하기 위해 각각의 샤프트 밀봉 부재(185)가 배치된다. 샤프트 밀봉 부재(185)는 단열 케이싱(110)에 대하여 샤프트 갭을 밀봉하면서 크랭크샤프트(180)의 회전을 허용하는 회전 밀봉부로서 형성된다. 도시되지 않은 실시형태에 있어서는, 밀봉 부재가 밀봉 베어링으로서 형성된다.
더 바람직한 실시형태에 있어서는, 단열 케이싱을 대신하여 임의의 종류의 단열 수단이 자기 갭 내에 배치된다. 도시되지 않은 바람직한 실시형태에 있어서는, 특히, 단열 코팅이 제공되고, 단열 코팅은 자기열량 재생기 배치구조체와 완전히 접촉한다. 단열 코팅은, 예를 들어 발포체, 바니시, 페인트 또는 포일일 수 있다.
도시되지 않은 추가적인 실시형태에 있어서, 크랭크샤프트는 자계 발생기가 고정되어 있는 상태에서 자기열량 재생기 배치구조체를 회전시키도록 배치된다. 이 추가적인 실시형태의 유체 배향 시스템의 채널들은 크랭크샤프트 내에 배치되고 회전 밸브에 의해 자기열량 재생기 배치구조체에 연결된다.
단열 케이싱(110)은, 단열 케이싱(110)에 배치되고 단열 케이싱(110)을 단열재(160)로 충전하는 것을 허용하도록 구성되는 충전 밸브(188)를 더 포함한다. 충전 밸브(188)는 또한, 단열 케이싱(110)의 비우기, 특히 적절한 단열재 보관함 내로의 비우기를 허용하도록 구성된다.
도 1에 도시된 실시형태에 따른 자기열량 장치(100)는 자계 발생기(120) 및 자기열량 재생기 배치구조체(130)를 지지하도록 배치되는 지지 구조체(190)를 더 포함하고, 단열 케이싱(110)은 단열 케이싱(110)의 외부측으로부터 지지 구조체(190)에의 접근을 허용해서 외부 물체(195)에 대한 자기열량 장치(100)의 부착을 허용한다.
도시되지 않은 실시형태에 있어서, 자기열량 장치는 추가적인 복수의 자기열량 요소를 포함하는 적어도 하나의 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체를 포함하고, 각각의 자기열량 요소는 자기열량 재료를 포함하고, 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체는 주기적으로 변화되는 외부 자계에 노출되도록 배치되고, 추가적인 단열 케이싱은 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체가 해당 단열 케이싱 내에 위치되도록 제공된다. 이 실시형태에 있어서, 자기열량 재생기 배치구조체 및 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체는 모두 자계 발생기의 자기 갭 내에 배치된다. 도시되지 않은 추가적인 실시형태에 있어서, 자기열량 장치는, 제1 자기 조립체, 자기열량 재생기 배치구조체, 제2 자기 조립체, 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체 및 제3 자기 조립체가 이 순서로 크랭크샤프트를 따라 배치되도록 제공된다. 도시되지 않은 대안적인 실시형태에 있어서, 단열 케이싱은 자기열량 재생기 및 추가적인 자기열량 재생기가 단열 케이싱 내에 위치되도록 제공된다.
도 2는, 자계 발생기(120) 및 자기열량 재생기 배치구조체(130)가 단열 케이싱(210) 내에 위치되고, 자기열량 장치(200)의 모터(170)가 단열 케이싱(210)의 외측에 위치되는, 본 발명에 따른 제2 실시형태의 자기열량 장치(200)를 도시한다.
자기열량 장치(200)는 도 1에 도시된 자기열량 장치(100)로서 배치되고, 단지, 자기열량 재생기 배치구조체(130)에 더하여, 자계 발생기(120)도 단열 케이싱(210) 내에 위치된다는 점이 차이점이다. 결과적으로, 단열 수단(205)을 형성하는 단열 케이싱(210)의 제1 및 제2 개구(182, 184)는 자기 갭(125) 내에 제공되는 것이 아니라, 자계 발생기(120)와 모터(170) 사이, 및 자계 발생기(120)와 크랭크샤프트(180)의 베어링(220) 사이에 제공된다.
실시형태들의 경우, 자기열량 재생기 배치구조체 및 자계 발생기는 단열 수단의 내측에 위치되고, 도 2에 도시된 바와 같이, 단열 케이싱을 단열 수단으로서 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 발포체와 같은 단열 코팅을 사용하는 것이 또한 가능하며, 본 발명의 범위 내이다. 단열 케이싱은, 도 2에 도시된 실시형태의 추가적인 변형예에 있어서는, 대기로 충전된다.
지지 구조체(190)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 자계 발생기(120) 및 자기열량 재생기 배치구조체(130)를 지지하도록 배치되지만, 명확성을 위해 도 2에는 나타나 있지 않다.
도 3은, 자계 발생기(120), 자기열량 재생기 배치구조체(130) 및 자기열량 장치(300)의 모터(170)가 단열 수단(305)을 형성하는 단열 케이싱(310) 내에 위치되는, 본 발명에 따른 제3 실시형태의 자기열량 장치(300)를 도시한다.
도 1에 도시된 자기열량 장치(100)와 달리, 자계 발생기(120) 및 모터(170)도 단열 케이싱(310) 내에 위치된다. 또한, 크랭크샤프트(180)는 완전히 단열 케이싱(310) 내에 위치되므로, 제1 및 제2 개구(182, 184)는 없지만, 단열 케이싱(310) 내부에는 크랭크샤프트(180)의 베어링(320)이 존재한다. 이 베어링은 단열 케이싱에 연결될 수도, 아닐 수도 있거나, 또는 단열 케이싱에 의해 지지될 수도, 아닐 수도 있다. 전기 접속을 가능하게 하기 위해, 단열 케이싱(310)에는 전기 커넥터(175)를 위한 접속 개구(330)가 제공된다. 이로써, 전기 커넥터는 단열 케이싱(310)의 외부로부터 모터(170)에 전력을 공급하는 것을 가능하게 한다. 개구(330)는 전기 커넥터(175)와 단열 케이싱(310) 사이에 커넥터 갭을 포함하고, 해당 갭을 밀봉하기 위해 커넥터 밀봉 부재가 배치된다.
또한, 도 1에 나타낸 지지 구조체(190)와 달리, 지지 구조체(340)가 단열 케이싱(310) 내에 배치된다. 대안으로서, 지지 구조체 및 단열 케이싱은 양쪽의 기능을 제공하는 하나의 구성요소일 수 있거나, 또는 이들은 서로 부착 또는 통합될 수 있다. 따라서, 단열 케이싱(310)은 자기열량 장치(300)의 외부면을 형성하고, 자기열장 장치(300)를 고정된 위치에 제공하기 위해 외부 물체(195)에 부착될 수 있다.
도시되지 않은 실시형태에 있어서는, 모터가 부가적인 단열 케이싱에 의해 더 단열되고, 부가적인 단열 케이싱은, 바람직하게는 단열 케이싱과 부가적인 단열 케이싱을 연결하는 냉각 핀(cooling fins)으로, 모터로부터의 열을 단열 케이싱의 외측으로 안내한다. 따라서, 이 실시형태의 장치는 도 3에 도시된 실시형태에 비해, 단열 케이싱 내측의 열 발생량을 유리하게 감소시킨다.
100: 자기열량 장치 105: 단열 수단
110: 단열 케이싱 120: 자계 발생기
122: 외부 자계 125: 자기 갭
126: 제1 자석 조립체 128: 제2 자석 조립체
130: 자기열량 재생기 배치구조체 132: 자기열량 요소
135: 자기열량 재료 140: 유체 배향 시스템
141: 제1 채널 142: 제2 채널
143: 제3 채널 144: 제4 채널
146: 제1 열교환기 147: 펌프
148: 제2 열교환기 150: 통과-유동부
155: 유동 밀봉 부재 160: 단열재
165: 건조제 168: 캐리어
170: 모터 175: 전기 커넥터
180: 크랭크샤프트 182: 제1 개구
184: 제2 개구 185: 샤프트 밀봉 부재
188: 충전 밸브 190: 지지 구조체
195: 외부 물체 200: 제2 실시형태의 자기열량 장치
205: 제2 실시형태의 단열 수단 210: 제2 실시형태의 단열 케이싱
220: 크랭크샤프트의 베어링 300: 제3 실시형태의 자기열량 장치
305: 제3 실시형태의 단열 수단 310: 제3 실시형태의 단열 케이싱
320: 제3 실시형태의 크랭크샤프트의 베어링
330: 접속 개구 340: 제3 실시형태의 지지 구조체

Claims (17)

  1. 자기열량 장치(100), 특히 자기열량 히트 펌프로서,
    - 변화되는 외부 자계(122)를 제공하도록 배치되는 자계 발생기(120),
    - 자기열량 요소(132)를 포함하는 자기열량 재생기 배치구조체(130)로서, 상기 자기열량 요소(132)가 자기열량 재료(135)를 포함하고, 상기 자기열량 재생기 배치구조체(130)가 상기 자계 발생기(120)의 상기 변화되는 외부 자계(122)에 노출되도록 배치되는, 자기열량 재생기 배치구조체(130)를 포함하고,
    상기 자기열량 장치(100)는,
    - 단열 수단(105)을 더 포함하고, 상기 단열 수단(105)은 상기 자기열량 재생기 배치구조체(130)가 상기 단열 수단(105)에 의해 기밀식으로 둘러싸이도록 배치되는 것을 특징으로 하는
    자기열량 장치(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    유체를 제1 채널(141)을 통해 상기 자기열량 재생기 배치구조체(130)로 배향시키고, 상기 유체를 제2 채널(142)을 통해 상기 자기열량 재생기 배치구조체(130)로부터 멀리 배향시키도록 배치되는, 적어도 제1 채널(141) 및 제2 채널(142)을 포함하는 유체 배향 시스템(140)을 더 포함하고, 상기 단열 수단(105)은 적어도 상기 제1 및 제2 채널(141, 142)을 통한 상기 유체의 통과를 위한 통과-유동부(flow-through)(150)를 더 포함하는
    자기열량 장치(100).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 단열 수단(105)은 상기 자기열량 재생기 배치구조체(130)와 적어도 부분적으로 접촉하지 않는 단열 케이싱(110)이고, 상기 단열 케이싱(110)은 단열재(160)로 충전되거나 또는 충전되도록 조정되는
    자기열량 장치(100).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 단열 수단(105)은 상기 자기열량 재생기 배치구조체(130)와 완전히 접촉하는 단열 코팅인
    자기열량 장치(100).
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 단열재(160)는 대기보다 낮은 열전도율을 갖는
    자기열량 장치(100).
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통과-유동부(150)는 단열 케이싱(110)과 상기 적어도 제1 및 제2 채널(141, 142)과의 사이에 갭을 남기도록 배치되고, 상기 갭을 밀봉하기 위해 밀봉 부재(155)가 배치되는
    자기열량 장치(100).
  7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열 케이싱(110)에 배치되고 상기 단열 케이싱(110)을 상기 단열재(160)로 충전할 수 있게 구성되는 충전 밸브(188)를 더 포함하는
    자기열량 장치(100).
  8. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열재(160)는 건성 가스(dry gas)인
    자기열량 장치(100).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 건성 가스는 건조 공기 및/또는 불활성 가스, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 또는 크세논을 포함하는
    자기열량 장치(100).
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열 수단(105), 바람직하게는 상기 단열 수단(105) 내부에 배치되는 캐리어(168)에는 건조제(165)가 제공되는
    자기열량 장치(100).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자계 발생기(120) 및 상기 자기열량 재생기 배치구조체(130)는 모두 단열 수단(205) 내에 위치되는
    자기열량 장치(200).
  12. 제 11 항에 있어서,
    자기열량 장치(300)의 모든 추가적인 부품이 단열 수단(305) 내에 위치되는
    자기열량 장치(300).
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 단열 케이싱(110)은 진공 가능한 진공 챔버로서 형성되는
    자기열량 장치(100).
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기열량 장치(100)는, 상기 자기열량 장치(100)의 작동 중에 상기 자기열량 재생기 배치구조체(130)와 상기 자계 발생기(120)를 서로에 대하여 이동시키도록 구성 및 배치되는 크랭크샤프트(180)를 포함하고, 상기 단열 수단(105)은 상기 단열 수단(105)의 외부측으로부터 상기 크랭크샤프트(180)에의 접근(182, 184)을 허용하는
    자기열량 장치(100).
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 크랭크샤프트(180)는 단열 케이싱(110)과 상기 크랭크샤프트(180) 사이에 샤프트 갭을 남기도록 배치되고, 상기 샤프트 갭을 밀봉하기 위해, 바람직하게는 회전 밀봉부로서 또는 밀봉용 베어링으로서 형성되는 샤프트 밀봉 부재(185)가 배치되는
    자기열량 장치(100).
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자계 발생기(120) 및 상기 자기열량 재생기 배치구조체(130)를 지지하도록 배치되는 지지 구조체(190)를 더 포함하고, 상기 단열 수단(105)은 상기 단열 케이싱(105)의 외부측으로부터 상기 지지 구조체(190)에의 접근을 허용해서 외부 물체(195)에 대한 상기 자기열량 장치(100)의 부착을 허용하는
    자기열량 장치(100).
  17. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기열량 장치(100)는 추가적인 자기열량 요소를 포함하는 적어도 하나의 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체를 포함하고, 상기 자기열량 요소는 자기열량 재료를 포함하고, 상기 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체는 상기 변화되는 외부 자계에 노출되도록 배치되고, 추가적인 단열 수단이, 상기 추가적인 자기열량 재생기 배치구조체가 상기 추가적인 단열 수단 내에 위치되도록, 제공되는
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