KR20240010234A - 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템 - Google Patents

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KR20240010234A
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Abstract

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 한 것으로, 서로 다른 온도 대역을 가진 자기열량소재(MCM)를 이용하여 복수의 카트리지를 형성하고, 사용 용도에 맞게 상기 복수의 카트리지 중 어느 하나를 선택적으로 교체 적용하여 사용 온도를 확장시킴과 아울러 선택적으로 냉/난방을 실시할 수 있도록 한 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템에 관한 것이다.

Description

카트리지 교체형 자기 냉각 시스템{CARTRIDGE REPLACEABLE MAGNETIC COOLING SYSTEM}
본 발명은 서로 다른 온도 대역을 가진 자기열량소재를 선택적으로 적용하여 사용 온도를 확장시킬 수 있는 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템에 관한 것이다.
최근 국제적인 온실가스(GHG) 배출 규제와 냉방/냉장 관련 에너지 소비율이 증가함에 따라 기존 가스 압축 냉각 시스템의 가스 냉매(CFC)를 대체할 필요성이 대두되고 있다. 이에 따라 차세대 냉각 시스템에 대한 연구들이 많은 관심을 받고 있다.
일례로, 자기열량효과(MCE, Magnetocaloric Effect)를 이용한 자기 냉각 시스템은 가스압축식 냉각에 비해 높은 에너지 효율과 반영구적이라는 장점을 가지고 있다. 특히 자기 냉각방식은 CFC(Chlorofluorocarbons)와 같은 가스 냉매를 사용하지 않아 환경 친화적이며, 무소음과 무진동이 가능하다.
구체적으로, 자기열량소재(MCM, magnetocaloric Materials)가 적용된 자기 냉각 시스템은 외부 인가 자장에 따라 발생하는 엔트로피 변화에 의해 소재의 온도가 가열/냉각되는 원리를 이용한 것이다.
이러한 자기열량소재(MCM)를 이용한 자기 냉각 시스템은 가정용 공조시스템, 냉장고나 데이터센터 서버룸의 공조시스템 등에 응용될 수 있다.
그러나 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 자기열량소재(MCM)에서 인가 자장에 따라 발생하는 자기열량효과(MCE)의 특성인 단열온도변화(ΔTad, Adiabatic Temperature Change)는 베이스 온도에 따라 특성 온도구간에서만 뾰족한 정점(Sharp peak)을 형성한다. 이에 따라 매우 좁은 구동 온도범위를 가지게 되는 단점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1954538호(등록일: 2019.02.26.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 한 것으로, 서로 다른 온도 대역을 가진 자기열량소재(MCM)를 이용하여 복수의 카트리지를 형성하고, 사용 용도에 맞게 상기 복수의 카트리지 중 어느 하나를 선택적으로 교체 적용하여 사용 온도를 확장시킴과 아울러 선택적으로 냉/난방을 실시할 수 있도록 한 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템은, 본체케이스; 상기 본체케이스 내에 교체 가능하게 결합되며, 일측의 투입구와 타측의 배출구를 통해 내부를 통과하는 열전달유체와 열교환할 수 있도록 자기열량소재가 수납되는 자기 열교환부; 및 상기 본체케이스의 전·후측에 이격 배치되어 상기 자기열량소재에 선택적으로 자기장을 인가하는 자기장 인가부;를 포함하되, 상기 자기 열교환부는, 서로 다른 온도 대역을 가진 자기열량소재를 이용하여 복수의 카트리지를 형성하고, 사용 용도에 맞게 상기 복수의 카트리지 중 어느 하나를 상기 본체케이스에 선택적으로 결합하여 사용 온도를 확장시킬 수 있다.
이 경우 상기 본체케이스는, 상기 카트리지의 전·후측을 고정하는 제1홀더; 및 상기 투입구와 배출구가 구비된 상기 카트리지의 좌·우측을 고정함과 아울러, 상기 투입구 및 배출구와 연통되게 결합되어 상기 열전달유체의 유로를 형성하는 제2홀더;를 포함할 수 있다.
또한 상기 제2홀더의 결합부위에는, 상기 수밀성능을 향상시킬 수 있도록 실링부재;가 개재된 것을 포함할 수 있다.
또한 상기 복수의 카트리지는, 0 ~ 10℃의 사용 온도에 적용되는 A 타입 카트리지; 10 ~ 40℃의 사용 온도에 적용되는 B 타입 카트리지; 및 40 ~ 60℃의 사용 온도에 적용되는 C 타입 카트리지;를 포함할 수 있다.
또한 상기 B 타입 카트리지는, 사용 온도 범위에 맞추어 카트리지 형으로 교체하여 필요에 따라 냉/난방이 가능한 사계절 가정용 공조기로 사용할 수 있다.
또한 상기 복수의 카트리지는, 동력을 전달받아 소정거리 왕복 이동되는 컨베이어나, 또는 회전축을 중심으로 회전되는 회전판 상에 이격 배치되며, 사용 용도에 맞게 액추에이터의 작동에 의해 자동 교체 가능한 것을 포함할 수 있다.
또한 상기 자기 냉각 시스템은, 상기 자기 열교환부의 내부 온도를 실시간으로 측정하며, 사용자가 원하는 온도 설정 시 이에 맞는 온도 대역을 가진 자기열량소재가 수납된 카트리지를 자동으로 교체할 수 있도록 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템은, 서로 다른 온도 대역을 가진 자기열량소재(MCM)를 이용하여 복수의 카트리지를 형성할 수 있으며, 복수의 카트리지 중 에너지 효율이 높은 어느 하나를 사용 온도 구간에 맞게 선택적으로 교체 적용해가며 사용 온도를 확장시킴과 아울러 선택적으로 냉/난방을 실시할 수 있다. 이에 따라 하나의 시스템을 가지고 여러 온도 영역대에서 가열과 냉각 모두 일정 수준 이상의 에너지 효율을 가지도록 할 수 있다.
도 1은 일반적인 자기열량소재(MCM)의 특성을 보여주는 그래프,
도 2는 본 발명에 따른 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템의 개략적인 전체 구성을 보여주는 평면도,
도 3의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 복수의 카트리지를 보여주는 도면,
도 4는 도 3에 도시된 카트리지의 사용 온도에 따른 용도 예,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 서로 다른 온도 대역을 가진 자기열량소재(MCM)의 구체적인 종류를 보여주는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 복수의 카트리지를 자동으로 교체하기 위한 장치를 보여주는 평면도,
도 8은 도 7의 측면도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템의 개략적인 전체 구성을 보여주는 평면도고, 도 3의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 복수의 카트리지를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템(100)은, 본체케이스(110), 자기 열교환부(120), 자기장 인가부(130)를 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 본체케이스(110)는 자기 냉각 시스템(100)의 주된 케이스를 구성하는 것으로, 후술할 카트리지(121) 형태의 자기 열교환부(120)가 안착될 수 있도록 개구가 구비된 내부 수납공간이 마련될 수 있다.
이 경우 상기 본체케이스(110)는 후술할 자기 열교환부(120)의 카트리지(121)가 교체 가능하게 결합될 수 있는 구조가 적용될 수 있다.
구체적으로, 상기 본체케이스(110)는 도 2에서와 같이 평면으로 보았을 때 카트리지(121)의 전·후측을 고정하는 제1홀더(111)와, 상기 투입구(123)와 배출구(125)가 구비된 카트리지(121)의 좌·우측을 각각 고정함과 아울러 상기 투입구(123) 및 배출구(125)와 연통되게 결합되며 열교환부(129a, 129b)로부터 유입되는 열전달유체의 유로를 형성하는 제2홀더(113)를 포함할 수 있다.
또한 상기 제2홀더(113)의 결합부위에는 수밀성능을 향상시킬 수 있도록 실링부재(115)가 개재될 수 있다. 본 발명에서 실링부재(115)의 재질은 특별히 한정하지는 않는다.
상기 자기 열교환부(120)의 카트리지(121) 내부에는 투입구(123)를 통해 열전달유체가 내부로 유입된 후 배출구(125)를 통해 외부로 배출되면서 열교환 과정을 거칠 수 있도록 자기열량소재(127)가 수납될 수 있다.
구체적으로, 상기 카트리지(121)는 본체케이스(110) 내에 교체 가능하게 결합도리 수 있다. 이러한 카트리지(121)는 일측에 투입구(123)가 구비되고 타측에 배출구(125)가 구비될 수 있다.
이 경우 본 발명의 도 2에서는 카트리지(121)의 일측에 투입구(123)가 구비되고 타측에 배출구(125)가 구비된 경우의 일례를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 투입구(123)와 배출구(125)는 열전달유체의 흐름 방향에 따라 서로 반대 방향으로 바뀔 수 있다.
즉 자기 열교환부(120)는 후술할 자기장 인가부(130)에서의 외부 인가 자장에 따라 발생되는 엔트로피 변화에 의해 자기열량소재(127)가 가열 또는 냉각될 수 있으며, 이와 대응되게 열전달유체의 흐름 방향이 좌측에서 우측(도 2의 화살표 참조) 또는 우측에서 좌측으로 바뀔 수 있다. 이러한 열전달유체의 흐름 방향과 대응되게 투입구(123)와 배출구(125)의 위치가 바뀔 수 있다.
상기와 같은 구성의 자기 열교환부(120)는 서로 다른 온도 대역을 가진 자기열량소재를 이용하여 복수의 카트리지(121)로 모듈화될 수 있다. 그리고 상기 복수의 카트리지(121) 중 어느 하나를 사용자가 원하는 사용 용도(냉장고, 사계절 가정용 공조기, 서버실 공조기 등)에 맞게 상기 본체케이스(110)에 선택적으로 교체 결합하여 사용 온도를 확장시킬 수 있다.
구체적으로, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 카트리지(121)는, 0 ~ 10℃의 사용 온도에 적용되는 A 타입 카트리지(121a)(일례로, 냉장고 용도)와, 10 ~ 40℃의 사용 온도에 적용되는 B 타입 카트리지(121b)(일례로, 사계절 가정용 공조기 용도)와, 40 ~ 60℃의 사용 온도에 적용되는 C 타입 카트리지(121c)(일례로, 서버실 공조기 용도)를 포함할 수 있다.
특히, 상기 B 타입 카트리지(121b)의 경우 상온 영역에서 사용이 가능하다. 이에 따라 사용 온도 범위에 맞추어 카트리지 형으로 교체하여 필요에 따라 냉/난방이 가능한 사계절 가정용 공조기로 사용이 가능하다.
이 경우 본 발명에서는 카트리지(121)가 세 개로 구성된 경우의 일례를 들어 도시하고 설명하였으나, 필요에 따라 그 이상의 개수로 변경 적용될 수 있음은 물론이다.
또한 상기 복수의 카트리지(121a ~ 121c)에 적용되는 자기열량소재(127)의 구체적인 종류는 도 5 및 도 6에 개시된 바와 같은 복수의 소재 중 적합한 소재를 선택적으로 적용하여 사용할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 자기장 인가부(130)는 본체케이스(110)의 전·후측에 영구자석(또는 전자석) 이격 배치되어 자기 열교환부(120) 내에 수납된 자기열량소재(127)에 선택적으로 자기장을 인가할 수 있다.
이 경우 상기 자기열량소재(127)는 외부 인가 자장에 따라 가열/냉각될 수 있으며, 자기 열교환부(120)의 투입구(123)와 배출구(125)에 연결된 열교환부(Heat transfer)(129a)(129b)의 열전달매체와 열교환을 통해 열을 흡수, 방출하는 냉각재 역할을 할 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 열 이동의 방향성을 줌으로써 한쪽을 냉각시킬 수 있다.
즉 상기 자기장 인가부(130)는 영구자석을 이용한 자기장 인가/제거에 따라 자기열량소재(127)의 가열 시 가열 존(Hot zone)으로, 자기열량소재(127)의 냉각 시 냉각 존(Cold zone)으로 열교환(Heat transfer)을 반복적인 사이클로 진행할 수 있다. 이에 따라 자기열량소재(127)의 내부 온도 그래디언트(Gradient)를 형성할 수 있으며, 보다 효율이 향상된 냉각시스템으로 활용할 수 있다.
또한 상기 자기 냉각 시스템(100)은 사용자가 원하는 온도 설정 시 복수의 카트리지(121) 중 사용 용도에 맞는 어느 하나를 자동으로 교체 적용할 수 있도록 제어하는 제어부(140)를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 자기 열교환부(120)에는 내부의 기본 온도를 측정하는 온도계를 구비할 수 있으며, 이를 통해 제어부(140)에서는 카트리지(121)의 선택 온도를 판단할 수 있다.
이러한 제어부(140)는 자기열량소재(127)의 타입별, 온도별 에너지 효율 데이터 베이스를 저장하고, 이를 바탕으로 에너지 효율을 위한 최적의 자기 열교환부(120) 모델을 설정할 수 있다.
한편, 상기 복수의 카트리지(121)는 필요에 따라 수동으로 교체할 수 있음은 물론 자동으로 교체해가며 사용할 수 있다.
구체적으로, 도 7을 참조하면, 상기 복수의 카트리지(121a ~ 121c)는 동력을 전달받아 소정거리 왕복 이동되는 컨베이어(210) 상에 이동방향을 따라 이격 배치될 수 있다. 그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 컨베이어(210)의 하측에는 상기 복수의 카트리지(121a ~ 121c) 중 어느 하나를 상측의 본체케이스(110)로 상승시켜 교체하는 액추에이터(220)가 구비될 수 있다.
이 경우 컨베이어(210)에는 액추에이터(220)를 이용하여 상기 복수의 카트리지(121a ~ 121c) 중 어느 하나를 상승시킬 수 있도록 관통공이 구비될 수 있다.
다른 실시예로, 상기 복수의 카트리지(121a ~ 121c)는 상기 컨베이어(210) 대신 동력을 전달받아 회전축을 기준으로 회전하는 회전판 상에 소정 각도 이격되게 방사상으로 배치된 경우로 변경 적용될 수 있다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템(100)은, 서로 다른 온도 대역을 가진 자기열량소재(MCM)를 이용하여 복수의 카트리지(121a ~ 121c)를 형성할 수 있으며, 복수의 카트리지(121) 중 에너지 효율이 높은 어느 하나를 사용 온도 구간에 맞게 선택적으로 교체 적용해가며 사용 온도를 확장시킬 수 있다. 이에 따라 하나의 시스템을 가지고 여러 온도 영역대에서 가열과 냉각 모두 일정 수준 이상의 에너지 효율을 가지도록 할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.
100 : 자기 냉각 시스템 110 : 본체케이스
111 : 제1홀더 113 : 제2홀더
115 : 실링부재 120 : 자기 열교환부
121 : 카트리지 121a : A 타입 카트리지
121b : B 타입 카트리지 121c : C 타입 카트리지
123 : 투입구 125 : 배출구
127 : 자기열량소재 129a, 129b : 열교환부
130 : 자기장 인가부 140 : 제어부
210 : 컨베이어 220 : 액추에이터

Claims (7)

  1. 본체케이스;
    상기 본체케이스 내에 교체 가능하게 결합되며, 일측의 투입구와 타측의 배출구를 통해 내부를 통과하는 열전달유체와 열교환할 수 있도록 자기열량소재가 수납되는 자기 열교환부; 및
    상기 본체케이스의 전·후측에 이격 배치되어 상기 자기열량소재에 선택적으로 자기장을 인가하는 자기장 인가부;를 포함하되,
    상기 자기 열교환부는,
    서로 다른 온도 대역을 가진 자기열량소재를 이용하여 복수의 카트리지를 형성하고, 사용 용도에 맞게 상기 복수의 카트리지 중 어느 하나를 상기 본체케이스에 선택적으로 결합하여 사용 온도를 확장시킬 수 있도록 한 것인 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 본체케이스는,
    상기 카트리지의 전·후측을 고정하는 제1홀더; 및
    상기 투입구와 배출구가 구비된 상기 카트리지의 좌·우측을 고정함과 아울러, 상기 투입구 및 배출구와 연통되게 결합되어 상기 열전달유체의 유로를 형성하는 제2홀더;를 포함하는 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2홀더의 결합부위에는,
    상기 수밀성능을 향상시킬 수 있도록 실링부재;가 개재된 것을 포함하는 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 카트리지는,
    0 ~ 10℃의 사용 온도에 적용되는 A 타입 카트리지;
    10 ~ 40℃의 사용 온도에 적용되는 B 타입 카트리지; 및
    40 ~ 60℃의 사용 온도에 적용되는 C 타입 카트리지;를 포함하는 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 B 타입 카트리지는,
    사용 온도 범위에 맞추어 카트리지 형으로 교체하여 필요에 따라 냉/난방이 가능한 사계절 가정용 공조기로 사용할 수 있도록 한 것인 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 카트리지는,
    동력을 전달받아 소정거리 왕복 이동되는 컨베이어나, 또는 회전축을 중심으로 회전되는 회전판 상에 이격 배치되며, 사용 용도에 맞게 액추에이터의 작동에 의해 자동 교체 가능한 것을 포함하는 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자기 냉각 시스템은,
    상기 자기 열교환부의 내부 온도를 실시간으로 측정하며, 사용자가 원하는 온도 설정 시 이에 맞는 온도 대역을 가진 자기열량소재가 수납된 카트리지를 자동으로 교체할 수 있도록 제어하는 제어부;를 더 포함하는 카트리지 교체형 자기 냉각 시스템.
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