WO2019107787A1 - 자기 냉각 시스템 - Google Patents

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WO2019107787A1
WO2019107787A1 PCT/KR2018/013578 KR2018013578W WO2019107787A1 WO 2019107787 A1 WO2019107787 A1 WO 2019107787A1 KR 2018013578 W KR2018013578 W KR 2018013578W WO 2019107787 A1 WO2019107787 A1 WO 2019107787A1
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magnetic field
magnetic
heat exchanger
cover
field applying
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PCT/KR2018/013578
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English (en)
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Inventor
손창우
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엘지전자 주식회사
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/002—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects
    • F25B2321/0022—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects with a rotating or otherwise moving magnet
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic refrigeration system, and more particularly, to a driving method of two magnets applying a magnetic field to a magnetocaloric material.
  • a self cooling system includes a system that utilizes the amount of heat generated from the magnetocaloric material when applying a magnetic field to the magnetocaloric material, and the amount of heat absorbed by the magnetocaloric material when the magnetic field applied to the magnetocaloric material is erased .
  • the magnetocaloric material when a magnetic field is applied to a specific magnetocaloric material (or magnetic material), the magnetocaloric material generates heat in the process of magnetization, and when the magnetic field is removed, the magnetocaloric material that is demagnetized absorbs heat to the surrounding temperature (for example, (That is, a magnetic calorimetric effect, MCE, Magnetocaloric Effect).
  • MCE magnetic calorimetric effect
  • Such self-cooling does not use Freon or Flon, so it is attracting attention as an environment-friendly refrigeration technology.
  • the magnetocaloric material may be formed to exchange heat with a heat transfer fluid that is a heat medium passing through the magnetocaloric material.
  • the magnetocaloric material When a magnetic field is applied to the magnetocaloric material, the magnetocaloric material undergoes an exothermic reaction, and the heat transfer fluid passing through the magnetocaloric material may be heated.
  • the magnetocaloric material when erasing the magnetic field applied to the magnetocaloric material, the magnetocaloric material undergoes an endothermic reaction, and the heat transfer fluid passing through the magnetocaloric material may be cooled.
  • the direction in which the heat transfer fluid flows is changed, and the pattern in which the magnetic field is applied or erased is repeated.
  • a pattern in which a magnetic field is applied or erased can be variously implemented.
  • a method of installing an electromagnet around the heat exchanger and applying or releasing an electromagnet to the power source may be considered.
  • a permanent magnet may be installed around the magnetic heat exchanger, and the magnetic field may be applied to or erased from the magnetocaloric material by the permanent magnet being close to or away from the magnetic heat exchanger.
  • the present invention provides a magnetocaloric material (70) that generates heat when a magnetic field is applied and absorbs heat when the magnetic field disappears;
  • a magnetic heat exchanger (20) having the magnetocaloric material (70) embedded therein;
  • a magnetic field applying unit (30) including a first magnetic field applying unit (31) and a second magnetic field applying unit (32) installed across the magnetic heat exchanger (20);
  • the first magnetic field applying unit 31 and the second magnetic field applying unit 32 are rotatable respectively while the magnetic heat exchanger 20 and the magnetic field applying unit 30 are accommodated and the magnetic heat exchanger 20 is fixed, (80);
  • a driving part (90) for moving either the first magnetic field applying part (31) or the second magnetic field applying part (32), and the driving part drives the first magnetic field applying part (31) And one of the magnetic field applying units (32) is moved to move the other one by the attractive force between the first magnetic field applying unit
  • the magnetic heat exchanger (20) includes a cylindrical shape installed in a standing manner, and the first magnetic field applying unit (31) is located inside the cylindrical shape of the magnetic heat exchanger (20) (32) may be located outside the cylindrical shape of the magnetic heat exchanger (20).
  • the first magnetic field applying unit 31 includes a first magnet 311 for generating a magnetic field and a core member 312 for guiding the magnetic circuit of the magnetic field.
  • a second magnet (321) arranged to face the first magnet (311) in a polarity opposite to that of the first magnet (311) to generate a magnetic field in cooperation with the first magnet (311) 322).
  • the first magnet 311 may be disposed at a radial position on the outer circumference of the core member 312 and the second magnet 321 may be disposed at a radial position on the inner circumference of the ring member 322.
  • the housing 80 includes a cylindrical outer circumferential wall 81 surrounding the outer circumferential surface of the second magnetic field application unit 32 and an annular first cover 82 covering one side of the outer circumferential wall 81 And an annular second cover 83 covering the other side of the outer circumferential wall 81.
  • a first bearing 323 is provided around the radially inner upper portion of the second magnetic field applying unit 32.
  • the first bearing 323 is disposed between the first cover 82 and the second cover 83, Directional inner circumference.
  • a third cover 21 extending radially outward is provided at one side of the cylindrical shape of the magnetic heat exchanger 20 and the third cover 21 may be fixed to the first cover 82.
  • a fourth cover 62 which is fastened to the other end of the magnetic heat exchanger 20 and fastened to the second cover 83 may be installed on the other side of the cylindrical shape of the magnetic heat exchanger 20.
  • the fourth cover (62) may be provided with a heat medium flow passage (60) communicating with the magnetic heat exchanger (20).
  • a third cover (21) is provided at one axial end of the cylindrical shape of the magnetic heat exchanger (20) and has an outwardly extending portion (211) extending radially outward from the magnetic heat exchanger (20)
  • the third cover 21 may be fixed to the first cover 82.
  • a fourth cover 62 having an outwardly extending member 621 extending radially outward from the magnetic heat exchanger 20 is provided on the other axial end side of the cylindrical shape of the magnetic heat exchanger 20, The fourth cover 62 may be fastened to the other end of the magnetic heat exchanger 20 and the outwardly extending member 621 may be fastened to the second cover 83.
  • the third cover 21 may further include an inner periphery 211 extending radially inwardly from one side of the cylindrical axial end of the magnetic heat exchanger 20,
  • the fourth cover 62 may further include an inward extending member 622 extending radially inwardly from the other end of the axial end of the cylindrical shape of the magnetic heat exchanger 20.
  • the inner periphery extending portion 211 and the inward extending member 622 may cover both axial sides of the first magnetic field applying portion 31, respectively.
  • the first magnetic field applying unit 31 has axes 316 and 92 extending outward in the axial direction from the rotation center and a second bearing 313 is provided around the axes 316 and 92, The second bearing 313 may be connected to the radially inner periphery of the third cover 21 and the fourth cover 62.
  • the third cover (21) and the fourth cover (62) may be provided with a heat medium flow path (60) communicating with the magnetic heat exchanger (20).
  • the third cover 21 is disposed on the upper portion of the fourth cover 62 and the third cover 21 is provided with the high temperature side heat medium flow path 65 and the fourth cover 62 is provided with the low temperature side heat medium And a flow path 65 may be provided.
  • the first magnetic field applying unit 31 may be rotationally driven by the driving unit 90.
  • the magnetic field applying unit 30 can rotate at a constant speed.
  • the rotational speed of the magnetic field applying unit 30 may be 300 rpm (5 Hz) or less.
  • the heat transfer fluid is flowed by the pump 40 and the pump moves the heat transfer fluid from the low temperature section 1 to the magnetism heat exchanger 20 when the magnetic field application section 30 moves and approaches the magnetic heat exchanger 20. [ When the magnetic field applying unit 30 moves away from the magnetic heat exchanger 20 through the heat exchanger 20 so that the heat transfer fluid flows from the high temperature unit 5 to the magnetic heat exchanger 20, (1) through the heat exchanger (20).
  • the heat transfer fluid that has moved toward the high temperature section 5 dissipates heat to the high temperature section 5 in the high temperature heat exchanger 50 and the heat transfer fluid that has migrated toward the low temperature section 5 passes through the low temperature section 1 in the low temperature heat exchanger 10, It is possible to absorb heat of the heat source.
  • the present invention by providing two magnets with a magnetic heat exchanger interposed therebetween to form a very strong magnetic field in the magnetic heat exchanger, heat generation and heat absorption efficiency of the magnetocaloric material can be enhanced.
  • the flow path of the heat transfer fluid is fixed and the magnetic field applying unit is moved, thereby simplifying the structure of the self cooling system.
  • the structure of the self-cooling system can be simplified by causing the two magnetic field applying units spaced apart from each other to interlock with the magnetic force.
  • Figures 1 and 2 are schematic diagrams illustrating the operation of a self cooling system.
  • FIG. 3 is a schematic view showing various methods of applying and erasing a magnetic field to the magnetic heat exchanger.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of a self cooling system according to the present invention.
  • Fig. 5 is an enlarged view showing an installation structure of a magnetic field applying unit of the self cooling system of Fig. 4;
  • FIG. 6 is a side cross-sectional view of a magnetic field applying portion and a magnetic heat exchanger portion of a magnetic cooling system according to the present invention.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line I-I of Fig.
  • the self cooling system includes a magnetic heat exchanger 20, a pump 40 connected to one end of the magnetic heat exchanger and a heat exchanger 50, a heat exchanger 10 connected to the other end of the magnetic heat exchanger, , 20, and 50) and the pump (40).
  • the self cooling system is provided between the low temperature part 1 and the high temperature part 5 to keep the low temperature part 1 at a low temperature and move the heat of the low temperature part 1 toward the high temperature part 5.
  • the heat of the low temperature section (1) is transferred from the low temperature section (1) to the high temperature section (5) by the heat transfer fluid which is a heat medium flowing along the heat medium flow passage (60).
  • the heat transfer fluid may be water.
  • the self-cooling system includes a magnetic heat exchanger (20).
  • the magnetic heat exchanger 20 may be in the form of an enclosure in which the magnetocaloric material 70 is embedded.
  • the magnetocaloric material (70) is accommodated in a state of being trapped.
  • a heat transfer fluid flows through the magnetic heat exchanger 20 and a heat transfer fluid flowing through the magnetic heat exchanger 20 is in contact with the heat exchange material 70 and performs heat exchange with the heat exchange material 70.
  • the magnetocaloric material 70 generates heat when a magnetic field is applied and absorbs heat when the magnetic field is erased. Accordingly, the heat transfer fluid flowing through the gap between the magnetic calorie materials 70 to which the magnetic field is applied absorbs the heat generated from the magnetocaloric material 70, and the temperature rises. On the other hand, the heat transfer fluid flowing through the gap between the magnetic calorie materials 70 from which the magnetic field has been erased transfers its heat to the magnetocaloric material 70,
  • the contact area between the heat source material 70 and the heat transfer material is widened.
  • the grain size of the magnetocaloric material 70 is too small, the flow loss of the heat transfer fluid becomes extremely large due to the viscosity of the heat transfer fluid. In view of these points, And can be provided in the form of granules of about 0.1 mm or less.
  • the heat transfer fluid is caused to flow by the pump (40).
  • the pump 40 may include a cylinder 41 in which the piston 42 reciprocates, as shown.
  • the internal space of the cylinder 41 may include a first reservoir 411 and a second reservoir 412 partitioned by the piston 42.
  • the space of the second reservoir 412 increases as the space of the first reservoir 411 decreases, and the piston 42
  • the space of the first reservoir 411 is enlarged as the space of the second reservoir 412 is reduced.
  • the magnetic heat exchanger (20) includes a first magnetic heat exchanger (201) and a second magnetic heat exchanger (202). There is no particular difference between these heat exchangers 201, 202, and they can be the same magnetic heat exchanger.
  • the first reservoir 411 of the pump 40 is connected to one end (upper portion) of the first magnetic heat exchanger 201 through a high temperature heat medium flow path 65.
  • the heat transfer fluid flowing from the first reservoir 411 toward the first magnetic heat exchanger 201 flows to the first magnetic heat exchanger 201 through the first high temperature side heat medium flow path 651,
  • the heat transfer fluid flowing from the unit 201 toward the first reservoir 411 flows to the first reservoir 411 through the second high temperature side heat medium flow path 652.
  • a check valve 69 may be provided in each of the first high-temperature side heat medium flow path 651 and the second high temperature side heat medium flow path 652.
  • the second reservoir 412 of the pump 40 is also connected to one end (upper portion) of the second magnetic heat exchanger 202 through the high temperature heat medium flow path 65.
  • the heat transfer fluid flowing from the second reservoir 412 toward the second magnetic heat exchanger 201 flows to the second magnetic heat exchanger 202 through the second high temperature side soft medium passage 652,
  • the heat transfer fluid flowing from the heat exchanger 202 toward the second reservoir 412 flows to the second reservoir 412 through the first high temperature side heat medium flow path 651.
  • a check valve 69 may be provided in each of the first high-temperature-side heat transfer fluid passage 651 and the second high-temperature-side heat transfer fluid passage 652.
  • the low-temperature side heat exchanger 10 is connected to the other end (lower portion) of the magnetic heat exchanger 20 through a low-temperature heat medium flow path 61.
  • the other end (lower portion) of the first magnetic heat exchanger 201 and the other end (lower portion) of the second magnetic heat exchanger 202 are connected to the first low temperature side heating medium And is connected to each other through the flow path 611 and the second low-temperature-side heat medium flow path 612.
  • the heat transfer fluid flowing from the first magnetic heat exchanger 201 to the second magnetic heat exchanger 202 flows through the first low temperature side heat transfer medium flow path 611 and flows through the second magnetic heat exchanger 202
  • the heat transfer fluid flowing into the first magnetic heat exchanger 201 flows through the second low temperature side heat transfer medium flow path 612.
  • the low temperature side heat exchanger 10 is provided in the first low temperature side heat medium flow path 611 and the second low temperature side heat medium flow path 612 so that the heat transfer fluid flowing through the low temperature side heat medium flow path 61 passes through the low temperature part 1 ).
  • FIG. 1 shows a state in which the magnetic field applying unit 30 is located in the second magnetic heat exchanger 202 and applies a magnetic field to the magnetocaloric material 70 built in the second magnetic heat exchanger 202.
  • the piston 42 of the pump 40 moves to the right in the drawing, and the heat transfer fluid in the first reservoir 411 flows through the first high-temperature-side heat medium flow path 651 to the first And is pushed out to the self heat exchanger 201. Then, the heat transfer fluid is cooled (-.DELTA.Q) by the endothermic (+? Q) action of the magnetocaloric material 70 in the first magnetic heat exchanger 201 with the magnetic field erased, and the first low temperature heat medium flow path 611 Lt; / RTI > Accordingly, the temperature of the magnetocaloric material 70 in the first magnetic heat exchanger 201 is increased.
  • the heat transfer fluid reaches the second magnetic heat exchanger (202) through the first low temperature side heat medium flow path (611) and passes through the second magnetic heat exchanger (202).
  • the magnetocaloric material 70 in the second magnetic heat exchanger 202 is placed under a magnetic field and generates heat (- ⁇ Q). Accordingly, the heat transfer fluid flowing through the second magnetic heat exchanger 202 absorbs heat (+? Q) from the magnetocaloric material 70 and the temperature rises. Accordingly, the temperature of the magnetocaloric material 70 in the second magnetic heat exchanger 202 is lowered.
  • the heat transfer fluid whose temperature has been increased flows to the second reservoir 412 of the pump 40 through the first high temperature side heat medium flow path 651 and flows to the second reservoir 412 of the pump 40 by the high temperature side heat exchanger 50 and the fan 51 And cooled by radiating heat (- ⁇ Q).
  • FIG. 2 shows a state in which the magnetic field applying unit 30 is located in the first magnetic heat exchanger 201 and applies a magnetic field to the magnetocaloric material 70 built in the first magnetic heat exchanger 201.
  • the piston 42 of the pump 40 moves to the left in the figure, and the heat transfer fluid in the second reservoir 412 flows through the second high-temperature-side heat medium flow path 652 to the second And is pushed to the self heat exchanger 202. Then, the heat transfer fluid is cooled (-.DELTA.Q) by the endothermic (+? Q) action of the magnetocaloric material 70 in the second magnetic heat exchanger 202 with the magnetic field erased and the second low temperature heat medium flow path 612 is cooled Lt; / RTI > Accordingly, the temperature of the magnetocaloric material 70 in the second magnetic heat exchanger 202 is increased.
  • the heat transfer fluid which has reached the low temperature side heat exchanger 10 through the second low temperature side heat medium flow path 612 absorbs heat (+? Q) from the low temperature portion 1 and cools the low temperature portion 1 (- ⁇ Q).
  • the heat transfer fluid reaches the first magnetic heat exchanger 201 through the second low temperature side heat medium flow path 612 and passes through the first magnetic heat exchanger 201.
  • the magnetocaloric material 70 in the first magnetic heat exchanger 201 is placed under a magnetic field and generates heat (- ⁇ Q). Accordingly, the heat transfer fluid flowing through the first magnetic heat exchanger 201 absorbs heat (+? Q) from the magnetocaloric material 70 and the temperature rises. Accordingly, the temperature of the magnetocaloric material 70 in the first magnetic heat exchanger 201 is lowered.
  • the heated heat transfer fluid flows to the first reservoir 411 of the pump 40 through the second high temperature side heat transfer medium flow path 652 and flows into the first reservoir 411 of the pump 40 by the high temperature side heat exchanger 50 and the fan 51 And cooled by radiating heat (- ⁇ Q).
  • FIG. 1 The operation of FIG. 1 and the operation of FIG. 2 occur alternately.
  • the heat transfer fluid when the heat transfer fluid flows in the first direction (clockwise direction in FIG. 1), the heat transfer fluid moves through the first high temperature side heat medium flow path 651 and the first low temperature side heat transfer path 611 And when the heat transfer fluid flows in the second direction (counterclockwise direction in FIG. 2), the heat transfer fluid moves through the second high-temperature-side heat transfer passage 652 and the second low-temperature-side heat transfer passage 612.
  • the heat transfer fluid flows in only one direction in each flow path. Accordingly, the heat transfer fluid does not flow in the forward direction and the reverse direction in one flow path, thereby preventing the heat transfer loss from occurring due to the mixing of the fluid.
  • the relative positional change between the magnetic field applying section 30 and the magnetic heat exchanger 20, which should be performed in order to operate the self cooling system as described above, can be implemented in various ways.
  • FIG. 3 various structures are shown.
  • a first example of a method of applying and erasing a magnetic field to a plurality of magnetic heat exchangers 20 arranged side by side in a ring-like circumferential direction is disclosed.
  • a first magnet is provided as a first magnetic field applying unit 31 in the ring shape of the magnetic heat exchanger 20 and a magnetic field is applied to the two poles of the first magnet outside the ring shape of the magnetic heat exchanger 20
  • a second magnet is provided as a second magnetic field applying unit 32.
  • a magnetic field is applied to the magnetic heat exchanger 20 located between the positions where the two magnets 31 and 32 face each other, so that the magnetocaloric material 70 in the inside thereof generates heat.
  • the magnetocaloric material 70 therein absorbs heat.
  • a structure in which the magnetic heat exchanger 20 rotates is exemplified in the first example of Fig.
  • the magnetic heat exchanger 20 rotates, the magnetic heat exchanger 20 is periodically disposed between the two magnets 31, 32 or repeats escaping between the two magnets 31, 32.
  • (B) discloses a second example of a method of applying a magnetic field to the magnetic heat exchanger 20 and erasing it.
  • a first magnetic field applying section 31 is provided in the ring shape of the magnetic heat exchanger 20 and a second magnetic field applying section 32 is provided outside the ring shape of the magnetic heat exchanger 20
  • a ring-shaped ferromagnetic body surrounding the entirety of the magnetic heat exchanger 20 is provided.
  • a magnetic field is applied to the magnetic heat exchanger 20 in the second example of Fig. 4B, which is located between the pole portion of the first magnet 31 and the position where the ring-shaped ferromagnetic body 32 faces. And the magnetic field is erased in the magnetic heat exchanger 20 at a position deviating therefrom.
  • the magnetic heat exchanger 20 is repeatedly opposed to or not opposed to the pole of the first magnet 31 by rotating the inner first magnet 31 in the second example of Fig.
  • the operation of the second example of Fig. 4B can simplify the structure since it is not necessary to rotate only the first magnet 31 inside and rotate the ring-shaped ferromagnetic material.
  • the magnetic field is weak, so that the heat generation and heat absorption efficiency of the magnetocaloric material 70 is low.
  • (C) discloses a third example of a method of applying a magnetic field to the magnetic heat exchanger 20 and erasing it.
  • a ring-shaped inside of the magnetic heat exchanger 20 is provided with a ferromagnetic core as a first magnetic field applying section 31 and a second magnetic field applying section 32 Shaped second magnet is provided.
  • a magnetic field is applied to the magnetic heat exchanger 20 located between the position where the second magnet 32 and the ferromagnetic core 31 face each other in the third example of FIG. And the magnetic field is erased in the magnetic heat exchanger 20 at a position deviating therefrom.
  • the magnetic heat exchanger 20 is repeatedly opposed to or not facing the second magnet 32 by rotating the outer second magnet 32 in the third example of Fig.
  • (C) is a little more complicated than the second example, since the external second magnet 31 only needs to be rotated, the structure can still be simplified. However, unlike the first example in which the magnetic heat exchanger 20 is disposed between the gaps where the different poles face each other, since the magnetic field is still weak, the heat generation and endothermic efficiency of the magnetocaloric material 70 is lowered.
  • (D) is the same as the first example of (A). However, in the fourth example, the magnetic heat exchanger 20 is kept stationary and is different from the first example in that the first magnet 31 and the second magnet 32 rotate together.
  • the magnetic heat exchanger 20 interrupts the gap between the first magnet 31 and the second magnet 32, in order to allow the first magnet and the second magnet to rotate in synchronization with each other, the magnetic heat exchanger 20), and a power transmission structure for interlocking the two magnets should be provided.
  • the inventor of the present invention is concerned with the fact that the first magnet 31 and the second magnet 32 rotate at a low speed at a constant speed because the cycle of applying or erasing the magnetic field to the magnetic heat exchanger in the self cooling device is relatively long And the first magnet 31 and the second magnet 32 are caused to cooperate and rotate only by the attractive force of the first magnet 31 and the second magnet 32 facing each other with different polarities.
  • the first and fourth examples shown in Figs. 3A and 3D are superior to the second and third examples in cooling performance.
  • the intensity of the magnetic field is large, the attracting force between the first magnet and the second magnet also increases, which is more advantageous in tuning the two magnetic field applying sections 31 and 32.
  • the magnetic cooling system includes a housing 80 in which the magnetic heat exchanger 20 and the magnetic field applying unit 30 are accommodated.
  • the housing 80 has an outer peripheral wall 81 which is a cylindrical side wall portion, a first cover 82 in the form of a flat ring ring which covers an upper portion (one end portion) of the outer peripheral wall 81, And a second cover 83 in the form of a flat plate ring that covers the other end (the other end) of the second cover 83.
  • the housing 80 is fixed to the fixed end. Inside the housing 80, a cylindrical hollow portion is provided.
  • the second magnetic field applying portion (32) is accommodated in a position farthest from the center of the cylindrical shape.
  • the second magnetic field applying unit 32 is installed in the housing 80 so as to be freely rotatable relative to the housing 80.
  • the second magnetic field applying unit 32 has a ring shape.
  • the second magnetic field applying unit 32 is provided with a second magnet 321 at a predetermined portion of the inner circumferential surface of the ring member 322 having a generally ring shape so as to have a ring shape like rolled toilet paper as a whole.
  • the second magnet 321 is installed at a radial position from the center of the second magnetic field applying portion 32.
  • the ring member 322 includes a cylindrical upper and lower extending member 3221 surrounding the outer circumferential surface of the second magnet 321 and a flange 3221 extending inward in the radial direction from the upper end and the lower end of the upper and lower extending members 3221, Shaped radial inward member 3222 and a ring-shaped bearing seating jaw 3223 extending axially outwardly at radially inward ends of the pair of radially inward members 3222, respectively.
  • the radially inward member 3222 covers the top and bottom of the second magnet 321. Any one of the pair of radially inward members 3222 may be integrally formed with the upper and lower extension members 3221, and the other may be separately manufactured and assembled.
  • the radially inward member 3222 which is manufactured in a divided manner, can be assembled after the second magnet 321 is installed inside the upper and lower extending members 3221.
  • the first bearing 323 is provided on the upper and lower portions of the inner circumferential surface of the second magnetic field applying unit 32, respectively.
  • the first bearing 323 may be a rolling bearing in which a rolling body such as a ball is interposed between the inner ring and the outer ring and between the inner ring and the outer ring.
  • the bearing mounting jaws 3223 provided at the upper and lower portions of the second magnetic field applying unit 32 are engaged with the inner circumferential surface and one axial side surface of the inner ring of the first bearing 323.
  • the first bearing 323 is installed and supported on the inner circumferential surface of the hole 821 provided at the center of the first cover 82 and the second cover 83 and / That is, the outer rings of the pair of first bearings 323 are fixed to the first cover 82 and the second cover 83 of the housing 80, respectively. Specifically, the outer circumferential surface and the axial other side surface of the outer ring of the first bearing 323 are engaged with the inner edges of the first cover and the second cover.
  • the second magnetic field applying unit 32 is rotatably supported on the housing 80 through the first bearing 323 provided at the upper portion and the lower portion thereof.
  • the rolling bearing rotatably supports the second magnetic field applying unit 32 in the radial direction as well as in the axial direction. That is, the first bearing 323 regulates the axial position of the second magnetic field applying unit 32.
  • the second magnetic field applying unit 32 is rotatably installed in the housing 80 and is received therein. Specifically, the outer peripheral wall 81 of the housing 80 surrounds the upper and lower extending members 3221 of the second magnetic field applying unit 32, and the first cover 82 of the housing 80, (83) surrounds the radially inward member (3222). Therefore, the housing 80 and the second magnetic field applying unit 32 can be modularized.
  • the second magnet 321 is disposed on the inner peripheral surface of the modular housing 80 and the second magnetic field applying unit 32.
  • a magnetic heat exchanger (20) is provided in a hollow space defined by the inner circumferential surface of the second magnetic field applying portion (32).
  • the magnetic heat exchanger 20 also has a ring shape as a whole roll toilet paper.
  • the diameter of the outer circumferential surface of the magnetic heat exchanger 20 is smaller than the diameter of the inner circumferential surface of the second magnetic field applying portion 32 and is slightly spaced.
  • the second magnetic field applying unit 32 and the magnetic heat exchanger 20 are concentrically aligned.
  • the magnetic heat exchanger (20) is an assembly of a structure in which a plurality of magnetic heat exchangers extending vertically are arranged side by side along the circumferential direction.
  • FIG. 7 an assembly structure of a magnetic heat exchanger in which thirteen magnetic heat exchangers 20 are arranged side by side in the circumferential direction is illustrated. 7, there is illustrated a structure in which a pair of low temperature side heat medium flow paths 611 and 612 are connected to the lower end of one magnetic heat exchanger 20, as described above with reference to FIGS.
  • the number of the individual magnetic heat exchangers 20, the number of the heat medium flow paths, and the like can be variously changed according to the specification of the cooling system or the purpose of the heat medium flow.
  • the magnetic heat exchanger 20 has a third cover 21 formed in an annular flat plate shape and extending radially outwardly from the upper end of the magnetic heat exchanger 20 and extending inward.
  • the outwardly extending portion 211 extending outwardly from the magnetic heat exchanger 20 in the third cover 21 is located in the vicinity of the hole 821 of the first cover 82 of the housing 80, 82, respectively. Accordingly, the magnetic heat exchanger (20) is fixed to the housing (80).
  • the outer periphery 211 is spaced upwardly from the bearing seating jaw 3223 and the first bearing 323.
  • the third cover 21 may be integrated with the magnetic heat exchanger 20 for ease of assembly or the like.
  • the magnetic heat exchanger 20 can be held in the housing 80 in the assembling process by merely mounting the third cover 21 on the first cover 82. [ The inwardly extending portion 212 extending inward from the magnetic heat exchanger 20 in the third cover 21 supports the second bearing 313 of the first magnetic field applying portion 31 described later.
  • a fourth cover 62 fixed to the lower end of the magnetic heat exchanger 20 and fixed to the second cover 83 of the housing 80 is provided at a lower end of the magnetic heat exchanger 20, Respectively.
  • the fourth cover 62 has an annular flat plate shape and extends radially outwardly from the lower end of the magnetic heat exchanger 20 and extends inwardly.
  • An outwardly extending member 621 extending outwardly from the magnetic heat exchanger in the fourth cover 62 is provided on the lower surface of the second cover 83 around the inner circumferential surface of the second cover 83 of the housing 80 Respectively. Accordingly, the magnetic heat exchanger (20) is fixed to the housing (80).
  • the outwardly extending member 621 is spaced apart from the bearing seating jaw 3223 and the first bearing 323.
  • An inward extending member 622 extending inward from the magnetic heat exchanger 20 in the fourth cover 62 supports the second bearing 313 of the first magnetic field applying unit 31 described later.
  • the fourth cover (62) firmly fixes the lower end of the magnetic heat exchanger (20) to the housing (80).
  • the fourth cover (62) is provided with a low-temperature-side heat medium flow path (61) connected to the lower end of the magnetic heat exchanger (20).
  • the third cover 21 integrally assembled with the magnetic heat exchanger 20 is fixed to the housing and in a state where the first magnetic field applying unit 31 described later is accommodated inside the magnetic heat exchanger 20,
  • the fourth cover 62 may be fixed to the magnetic heat exchanger and the housing.
  • a hole for allowing the shaft 92, which will be described later, to pass through is formed in the center of the fourth cover 62.
  • a hole for allowing the shaft to pass through may be formed in the center of the third cover 21 as well. It goes without saying that the third cover 21 may be disposed at the lower side and the fourth cover 62 may be provided at the upper portion.
  • the first magnetic field applying unit 31 is provided in the ring-shaped inner space of the magnetic heat exchanger 20.
  • the first magnetic field applying unit 31 has a cylindrical shape.
  • the first magnetic field applying unit 31 includes a first magnet 311 provided at a position corresponding to the second magnet 321.
  • the first magnet 311 is installed on the outer circumference of the cylindrical core member 312 to form a cylindrical shape as a whole.
  • the diameter of the outer circumferential surface of the first magnetic field applying section 31 is slightly smaller than the diameter of the inner circumferential surface of the magnetic heat exchanger 20,
  • the first magnetic field applying unit 31, the magnetic heat exchanger 20, and the second magnetic field applying unit 32 are concentrically aligned with each other.
  • first magnets 311 are arranged at intervals of 180 degrees.
  • various modifications are possible, for example, three magnets are installed at intervals of 120 degrees, or four magnets are installed at intervals of 90 degrees.
  • the number and arrangement of the first magnets 311 may be modified corresponding to the number and arrangement of the second magnets 321.
  • the upper member 314 and the lower member 315 are coupled to the upper and lower ends of the first magnetic field applying unit 31, respectively.
  • the upper member 314 has a shaft end portion 316 extending upwardly in parallel to the rotational center axis and the lower member 315 has a shaft 92 extending downward from its center of rotation.
  • a second bearing 313 is installed on the upper member 314 and the lower member 315.
  • the second bearing 313 may be a rolling bearing in which a rolling body such as a ball is interposed between an inner ring and an outer ring and between an inner ring and an outer ring.
  • the upper member 314 and the shaft extension portion 316 of the first magnetic field applying portion 31 are engaged with the inner circumferential surface and the axial one side of the inner ring of the second bearing 313.
  • the inner edge of the inner edge portion 212 of the third cover 21 is engaged with the outer peripheral surface and the axial other surface of the outer ring of the second bearing 313.
  • the second bearing 313 provided at the upper end is provided in the vicinity of the inner peripheral surface of the upper end of the third cover 21 of the magnetic heat exchanger 20 fixed to the first cover 82 of the housing 80, And is fixed to the housing 80.
  • the second bearing 313 provided at the lower end is installed in the vicinity of the inner circumferential surface of the fourth cover 62 fixed to the second cover 83 of the housing 80 so that the second bearing 313 is fixed to the housing 80 as a result.
  • the second bearing 313 at the lower end may be located at the lower end of the first magnetic field applying unit 31 or may be located at the shaft 92 connected to the lower end of the first magnetic field applying unit 31. Accordingly, the first magnetic field applying unit 31 is rotatably installed in the housing 80.
  • the diameters of the bearings 313 and 323 supporting the rotation of the two magnetic field application portions 31 and 32, which rotate relative to the housing, can be minimized, so that the reliability of the bearing can be further increased, Cost can be minimized.
  • the bearing and the magnetic heat exchanger described above can be accessed from the outside by simply separating the third cover and the fourth cover without separating the first cover and the second cover, so that maintenance is easy.
  • the third cover and the fourth cover may be formed with a heat medium flow path.
  • the high-temperature side heat medium flow path 65 is formed in the third cover 21, and the low temperature side heat medium flow path 61 is formed in the fourth cover 62. That is, the third cover and the fourth cover function to connect and support the magnetic heat exchanger 20 and the first magnetic field applying unit 31 to the housing, and further constitute the heat medium flow path 60, 313, and 323 can be covered and protected.
  • the shaft 92 extends downward at the lower end of the center axis of the first magnetic field applying unit 31 and the shaft 92 is driven by a driving unit, ).
  • the second magnetic field applying unit 32 has a larger moment of inertia than the first magnetic field applying unit 31. Therefore, when the attractive force between the two magnetic field application units 31 and 32 is insufficient, an angular offset occurs between the first magnetic field application unit 31 and the second magnetic field application unit 32.
  • the angle between the two magnetic- The offset was found to be no more than 3 to 4 degrees, no matter how excessive the operation was, which was offset to a degree that had little effect on performance.
  • the rotating speed of the two magnetic field applying units may be set to be not more than 300 rpm, that is, 5 Hz, and preferably, about 2 Hz.
  • the first magnetic field applying unit 31 is rotationally driven to drive the second magnetic field applying unit 31 so that the first magnetic field applying unit 31 is driven by the attractive force It is needless to say that the method of synchronous rotation may be applied.
  • the first magnet 311 of the first magnetic field applying unit 31 and the second magnet 321 of the second magnetic field applying unit 32 are disposed to face each other with a complementary pole.
  • the core member 312 and the ring member 322 are made of a ferromagnetic material. Therefore, the magnetic field applying unit 31 and the second magnetic field applying unit 32 constitute a magnetic circuit in the direction indicated by the dotted arrow in Fig.
  • an assembly formed with a high-temperature-side heat medium flow path 65 is provided at an upper portion of the magnetic heat exchanger 20 fixed to the housing 80.
  • the pump 40 described above in FIGS. 1 and 2 is incorporated therein.
  • the low-temperature heat medium flows downward and the high-temperature heat medium flows upward, leading to a more natural flow.
  • gas when gas is generated in the heat transfer fluid, it is necessary to make the gas float upward without being trapped.
  • the heat exchange efficiency may drop sharply when gas is generated in the heat transfer fluid.
  • the self-cooling system of the present invention is installed in a raised form as shown in FIG. 4 or FIG.
  • the low temperature side heat medium flow path 61 is disposed below the magnetic heat exchanger 20 and the high temperature side heat medium flow path 65 and the pump 40 are disposed above the high temperature side heat medium flow path 61.
  • the upper part is the high temperature part 5, 1).
  • the gas generated from the heat transfer fluid naturally rises to the upper portion, so that there is no problem that the gas is trapped or stays in the heat exchanger. Therefore, the self-heat exchanger is kept filled with the heat transfer fluid without the gas, so that there is no problem that the heat exchange efficiency is lowered.
  • the self-heat exchanger is installed in a lying position, the gas generated from the fluid continuously stays in the self-heat exchanger, thereby deteriorating the heat exchange efficiency.
  • a magnetic field applying unit 30 is rotatably installed in the housing 80 between the two heat medium flow paths, and the magnetic heat exchanger 20 is fixedly installed.
  • the low-temperature heat medium flow path 61 passes through a low-temperature heat exchanger located at a low temperature section (not shown), and the high-temperature heat medium flow path 65 passes through a high temperature heat exchanger located at a high temperature section (not shown).
  • the driving unit 90 rotates the first magnetic field applying unit 31 at a speed of 2 Hz. Then, the second magnetic field applying unit 32 is tuned and rotated by the attraction with the first magnetic field applying unit 31.
  • the pump 40 draws the heat transfer fluid toward the high temperature side heat medium flow path 65 toward the magnetic heat exchanger 20 magnetized in accordance with the magnetic field application unit 30 moving by the drive unit 90, The heat transfer fluid pushes down the heat transfer fluid toward the magnetic heat exchanger 20 where the heat exchanger 30 moves away.
  • the heat transfer fluid flowing in the demagnetizing heat exchanger 20 is cooled by the magnetic heat amount material 70, The heat is transferred to the heat medium flow path 61 and the cool air is transferred to the low temperature part in the low temperature side heat exchanger and then flows in the magnetizing heat exchanger 20 to be magnetized and is heated by the magnetic heat amount material 70, Flows upwardly to the flow path 65, and is radiated in the high temperature side heat exchanger (50).
  • the pump 40 When the driving unit 90 continues to rotate the first magnetic field applying unit 31 to move the magnetic field applying unit 30 to the neighboring magnetic heat exchanger 20, the pump 40 has a reverse flow direction of the heat transfer fluid And flows the heat transfer fluid. Then, the operation as described above is repeated and cooling of the low temperature part is continuously performed.

Abstract

본 발명은 자기 냉각 시스템으로서, 자계가 주어지면 발열하고 자계가 사라지면 흡열하는 자기열량재료(70); 내부에 상기 자기열량재료(70)를 내장하는 자기 열교환기(20); 상기 자기 열교환기(20) 내부를 유동하며 상기 자기열량재료(70)와 열교환 하는 열전달 유체; 상기 자기 열교환기(20)를 사이에 두고 설치되는 제1자기장 인가부(31)와 제2자기장 인가부(32)를 포함하는 자기장 인가부(30); 및 상기 제1자기장 인가부(31)와 상기 제2자기장 인가부(32) 중 어느 하나를 이동시키는 구동부(90)를 포함하고, 상기 구동부가 상기 제1자기장 인가부(31)와 상기 제2자기장 인가부(32) 중 어느 하나를 이동시킴에 따라 상기 제1자기장 인가부(31)와 상기 제2자기장 인가부(32) 사이의 인력에 의해 다른 하나가 동조 이동하도록 하는 자기 냉각 시스템을 개시한다.

Description

자기 냉각 시스템
본 발명은 자기 냉장 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기열량재료에 자기장을 인가하는 두 자석의 구동 방식에 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 자화되는 과정에서 자기열량재료가 발열하고, 자계를 제거하면 탈자되는 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 주목 받고 있다.
자기열량재료는 상기 자기열량재료를 통과하는 열매체인 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.
자기열량재료가 저장된 자기 열교환기(bed)에는 열전달 유체가 흐르는 방향이 전환되고, 자기장이 인가되거나 소거되는 패턴이 반복된다. 자기장이 인가되거나 소거되는 패턴은 다양하게 구현 가능하다.
가령 자기 열교환기 주변에 전자석을 설치하고, 상기 전원에 전자석을 인가하거나 해제하는 방식을 고려할 수 있을 것이다.
반면, 영구자석을 자기 열교환기 주변에 설치하되, 상기 영구자석이 자기 열교환기와 가까이 있거나 자기 열교환기로부터 멀어짐으로써 자기열량재료에 자기장이 인가되거나 소거되도록 할 수도 있다.
그런데, 영구자석을 자기 열교환기에 접근시키거나 그로부터 이격시키기 위해서는 서로 이격 설치된 두 영구자석을 연동하여 작동시키기 위한 구조가 요구되는바, 구조적으로 복잡할 수밖에 없었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 영구자석을 적용한 자기장 인가부를 사용하되 서로 분리 설치된 자기장 인가부를 간단한 구조로 연동시킬 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 자계가 주어지면 발열하고 자계가 사라지면 흡열하는 자기열량재료(70); 내부에 상기 자기열량재료(70)를 내장하는 자기 열교환기(20); 상기 자기 열교환기(20) 내부를 유동하며 상기 자기열량재료(70)와 열교환 하는 열전달 유체; 상기 자기 열교환기(20)를 사이에 두고 설치되는 제1자기장 인가부(31)와 제2자기장 인가부(32)를 포함하는 자기장 인가부(30); 상기 자기 열교환기(20)와 자기장 인가부(30)를 수용하되, 상기 자기 열교환기(20)를 고정하고 상기 제1자기장 인가부(31)와 제2자기장 인가부(32)를 각각 회전 가능하게 지지하는 하우징(80); 및 상기 제1자기장 인가부(31)와 상기 제2자기장 인가부(32) 중 어느 하나를 이동시키는 구동부(90)를 포함하고, 상기 구동부가 상기 제1자기장 인가부(31)와 상기 제2자기장 인가부(32) 중 어느 하나를 이동시킴에 따라 상기 제1자기장 인가부(31)와 상기 제2자기장 인가부(32) 사이의 인력에 의해 다른 하나가 동조 이동하는 자기 냉각 시스템을 제공한다.
상기 자기 열교환기(20)는 세워진 형태로 설치되는 실린더 형상을 포함하고, 상기 제1자기장 인가부(31)는 상기 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 내측에 위치하고, 상기 제2자기장 인가부(32)는 상기 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 외측에 위치할 수 있다.
상기 제1자기장 인가부(31)는, 자기장을 발생시키는 제1 자석(311)과, 상기 자기장의 자기회로를 유도하는 코어부재(312)를 구비하고, 상기 제2자기장 인가부(32)는, 상기 제1 자석(311)과 상보적인 극성으로 마주하여 배치됨으로써 상기 제1 자석(311)과 협동하여 자기장을 발생시키는 제2 자석(321)과, 상기 자기장의 자기회로를 유도하는 링부재(322)를 구비할 수 있다.
상기 제1 자석(311)은 상기 코어부재(312)의 외주에서 방사상의 위치에 배치되고, 상기 제2 자석(321)은 상기 링부재(322)의 내주에서 방사상의 위치에 배치될 수 있다.
상기 하우징(80)은, 상기 제2자기장 인가부(32)의 외주면을 둘러싸는 원통형의 외주벽(81)과, 상기 외주벽(81)의 일측을 덮는 환 형의 제1커버(82)와, 상기 외주벽(81)의 타측을 덮는 환 형의 제2커버(83)를 포함할 수 있다.
상기 제2자기장 인가부(32)의 반경방향 내측 상부 둘레에는 제1베어링(323)이 설치되고, 상기 제1베어링(323)은 상기 제1커버(82)와 제2커버(83)의 반경방향 내측 둘레에 연결될 수 있다.
상기 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 일측에는 반경 방향으로 외향 연장되는 제3커버(21)가 마련되고, 상기 제3커버(21)는 상기 제1커버(82)에 고정될 수 있다.
상기 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 타측에는, 상기 자기 열교환기(20)의 타측 단부에 체결되고 아울러 상기 제2커버(83)에 체결되는 제4커버(62)가 설치될 수 있다.
상기 제4커버(62)에는 상기 자기 열교환기(20)와 연통하는 열매체 유로(60)가 마련될 수 있다.
상기 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 축방향 단부 일측에는 상기 자기 열교환기(20)로부터 반경 방향으로 외향 연장되는 외향연장부(211)를 구비하는 제3커버(21)가 마련되고, 상기 제3커버(21)는 상기 제1커버(82)에 고정될 수 있다.
상기 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 축방향 단부 타측에는, 상기 자기 열교환기(20)로부터 반경 방향으로 외향 연장되는 외향연장부재(621)를 구비하는 제4커버(62)가 마련되고, 상기 제4커버(62)는 상기 자기 열교환기(20)의 타측 단부에 체결되고, 상기 외향연장부재(621)는 상기 제2커버(83)에 고정될 수 있다.
상기 제3커버(21)는 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 축방향 단부 일측에서 반경 방향으로 내향 연장되는 내향연장부(211)를 더 구비할 수 있다,
상기 제4커버(62)는 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 축방향 단부 타측에서 반경 방향으로 내향 연장되는 내향연장부재(622)를 더 구비할 수 있다.
상기 내향연장부(211)와 내향연장부재(622)는 상기 제1 자기장 인가부(31)의 축방향 양측을 각각 커버할 수 있다.
상기 제1자기장인가부(31)는 회전 중심으로부터 축방향으로 외향 연장되는 축(316, 92)을 구비하고, 상기 축(316, 92)의 둘레에는 제2베어링(313)이 설치되며, 상기 제2베어링(313)은 상기 제3커버(21)와 제4커버(62)의 반경방향 내측 둘레에 연결될 수 있다.
상기 제3커버(21)와 제4커버(62)에는 상기 자기 열교환기(20)와 연통하는 열매체 유로(60)가 마련될 수 있다. 상기 제3커버(21)가 제4커버(62)의 상부에 배치되고, 상기 제3커버(21)에는 고온측 열매체 유로(65)가 구비되고, 상기 제4커버(62)에는 저온측 열매체 유로(65)가 구비될 수 있다.
상기 제1자기장 인가부(31)가 상기 구동부(90)에 의해 회전 구동될 수 있다.
상기 자기장 인가부(30)는 등속 회전 운동할 수 있다.
상기 자기장 인가부(30)의 회전속도는 300rpm (5Hz) 이하일 수 있다.
상기 열전달 유체는 펌프(40)에 의해 유동하고, 상기 펌프는, 상기 자기장 인가부(30)가 이동하여 상기 자기 열교환기(20) 에 근접하였을 때, 상기 열전달 유체를 저온부(1)에서 상기 자기 열교환기(20)를 통해 고온부(5)로 이동시키고, 상기 자기장 인가부(30)가 이동하여 상기 자기 열교환기(20)로부터 멀어졌을 때, 상기 열전달 유체를 고온부(5)에서 상기 자기 열교환기(20)를 통해 저온부(1)로 이동시킬 수 있다.
상기 고온부(5) 쪽으로 이동한 열전달 유체는 고온측 열교환기(50)에서 고온부(5)로 방열하고, 상기 저온부(5) 쪽으로 이동한 열전달 유체는 저온측 열교환기(10)에서 저온부(1)의 열을 흡열할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자기 열교환기를 사이에 두고 두 자석을 배치하여 자기 열교환기에 매우 강한 자계가 형성되도록 함으로써, 자기 열량 재료의 발열 및 흡열 효율을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 열전달 유체의 유로는 고정되고, 자기장 인가부가 이동하도록 함으로써, 자기 냉각 시스템의 구조를 간단하게 할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 서로 이격 배치된 두 자기장 인가부가 자기력으로 연동 운동하도록 함으로써, 자기 냉각 시스템의 구조를 간단하게 할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1과 도 2는 자기 냉각 시스템의 작동을 나타낸 모식도이다.
도 3은 자기 열교환기에 자기장을 인가하고 소거하는 다양한 방식을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 자기 냉각 시스템의 자기장 인가부의 설치 구조를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템의 자기장 인가부와 자기 열교환기 부분의 측면 단면도이다.
도 7은 도 6의 I-I 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
[자기 냉각 시스템의 작동 원리]
도 1과 도 2를 참조하여 자기 냉각 시스템의 구성과 작동 원리를 설명한다.
자기 냉각 시스템은 자기 열교환기(20), 자기 열교환기의 일측 단부에 연결된 펌프(40)와 열교환기(50), 자기 열교환기의 타측 단부에 연결된 열교환기(10) 및 상기 열교환기들(10, 20, 50)과 펌프(40)를 연결하는 열매체 유로(60)를 포함한다.
상기 자기 냉각 시스템은 저온부(1)와 고온부(5) 사이에 마련되어 저온부(1)를 저온으로 유지하고, 저온부(1)의 열을 고온부(5) 쪽으로 이동시킨다. 저온부(1)의 열은 상기 열매체 유로(60)를 따라 유동하는 열매체인 열전달 유체에 의해 저온부(1)에서 고온부(5)로 전달된다. 일 예로 열전달 유체는 물 일 수 있다.
자기 냉각 시스템은 자기 열교환기(20)를 구비한다. 자기 열교환기(20)는 내부에 자기 열량 재료(70)가 내장되어 있는 함체 형태일 수 있다. 자기 열교환기(20) 내에는 자기 열량 재료(70)가 갇혀 있는 상태로 수용된다. 상기 자기 열교환기(20) 내에는 열전달 유체가 흐르게 되며, 상기 자기 열교환기(20)를 흐르는 열전달 유체는 상기 자기 열량 재료(70)와 접촉하며 상기 자기 열량 재료(70)와 열교환을 하게 된다.
상기 자기 열량 재료(70)는 자기장이 인가되면 발열하고, 자기장이 소거되면 흡열하는 물질이다. 따라서 자기장이 인가된 자기 열량 재료(70) 사이의 공극을 흐르는 열전달 유체는 상기 자기 열량 재료(70)에서 발생하는 열을 흡수하여 온도가 올라가게 된다. 반대로 자기장이 소거된 자기 열량 재료(70) 사이의 공극을 흐르는 열전달 유체는 상기 자기 열량 재료(70)에 열을 전달하면서 자신은 온도가 내려가게 된다.
자기 열량 재료(70)와 열전달 유체 간의 열전달 효율을 높이기 위해서는 자기 열량 재료(70)와 열전달 유체 간의 접촉 면적이 넓어지는 것이 바람직하다. 한편으로, 자기 열량 재료(70)를 이루는 입자 알갱이가 너무 작으면, 열전달 유체의 점성으로 인해 열전달 유체의 유동 손실이 극히 커지게 되는바, 이러한 점들을 감안하여 자기 열량 재료(70)는 직경이 0.1mm 내외의 입자 알갱이 형태로 제공될 수 있다.
상기 열전달 유체는 펌프(40)에 의해 유동하게 된다. 가령 펌프(40)는, 도시된 바와 같이 내부에 피스톤(42)이 왕복 이동하는 실린더(41)를 포함할 수 있다. 상기 실린더(41)의 내부 공간은 상기 피스톤(42)에 의해 구획되는 제1레저버(411)와 제2레저버(412)를 포함할 수 있다. 가령 도 1과 같이 피스톤(42)이 도면 상 우측으로 이동하면, 제1레저버(411)의 공간이 줄어드는 만큼 제2레저버(412)의 공간이 늘어나고, 도 2와 같이 피스톤(42)이 도면 상 좌측으로 이동하면, 제2레저버(412)의 공간이 줄어드는 만큼 제1레저버(411)의 공간이 늘어난다.
자기 열교환기(20)는 제1 자기 열교환기(201)와 제2 자기 열교환기(202)를 구비한다. 이들 열교환기(201, 202)들 간에 특별한 차이점은 없으며, 이들은 동일한 자기 열교환기일 수 있다.
상기 펌프(40)의 제1레저버(411)는 고온측 열매체 유로(65)를 통해 상기 제1 자기 열교환기(201)의 일측 단부(상부)와 연결된다. 제1레저버(411)에서 제1 자기 열교환기(201) 쪽으로 유동하는 열전달 유체는 제1 고온측 열매체 유로(651)를 통해 상기 제1 자기 열교환기(201)로 유동하고, 제1 자기 열교환기(201)에서 상기 제1레저버(411) 쪽으로 유동하는 열전달 유체는 제2 고온측 열매체 유로(652)를 통해 상기 제1레저버(411)로 유동한다. 이러한 유동 방향을 결정하기 위해 상기 제1 고온측 열매체 유로(651)와 제2 고온측 열매체 유로(652)에는 각각 체크밸브(69)가 설치될 수 있다.
그리고 상기 펌프(40)의 제2레저버(412)도 고온측 열매체 유로(65)를 통해 상기 제2 자기 열교환기(202)의 일측 단부(상부)와 연결된다. 제2레저버(412)에서 제2 자기 열교환기(201) 쪽으로 유동하는 열전달 유체는 제2 고온측 연매체 유로(652)를 통해 상기 제2 자기 열교환기(202)로 유동하고, 제2 자기 열교환기(202)에서 상기 제2레저버(412) 쪽으로 유동하는 열전달 유체는 제1 고온측 열매체 유로(651)를 통해 상기 제2레저버(412)로 유동한다. 이러한 유동 방향을 결정하기 위해 상기 제1 고온측 열매체 유로(651)와 제2 고온측 열매체 유로(652)에도 각각 체크밸브(69)가 설치될 수 있다.
상기 자기 열교환기(20)의 타측 단부(하부)에는 저온측 열매체 유로(61)를 통해 저온측 열교환기(10)가 연결된다.
구체적으로 상기 제1 자기 열교환기(201)의 타측 단부(하부)와 상기 제2자기 열교환기(202)의 타측 단부(하부)는 각각 반대방향으로 체크밸브(69)가 설치된 제1저온측 열매체 유로(611)와 제2저온측 열매체 유로(612)를 통해 서로 연결된다. 제1 자기 열교환기(201)에서 제2자기 열교환기(202)로 유동하는 열전달 유체는, 상기 제1저온측 열매체 유로(611)를 통해 유동하게 되고, 상기 제2자기 열교환기(202)에서 제1자기 열교환기(201)로 유동하는 열전달 유체는, 상기 제2저온측 열매체 유로(612)를 통해 유동하게 된다.
이들 제1저온측 열매체 유로(611)와 제2저온측 열매체 유로(612)에는 저온측 열교환기(10)가 설치되어 있어서, 저온측 열매체 유로(61)를 흐르는 열전달 유체는 이를 통해 저온부(1)와 열교환 한다.
도 1에는 자기장 인가부(30)가 제2 자기 열교환기(202)에 위치하여 제2 자기 열교환기(202) 내부에 내장된 자기 열량 재료(70)에 자기장을 인가하는 상태가 도시되어 있다.
도 1과 같은 상태에서는, 상기 펌프(40)의 피스톤(42)이 도면 상 우측으로 이동하여, 제1레저버(411)에 있던 열전달 유체를 제1고온측 열매체 유로(651)를 통해 제1 자기 열교환기(201)로 밀어낸다. 그러면 열전달 유체는, 자기장이 소거된 제1 자기 열교환기(201) 내의 자기 열량 재료(70)의 흡열(+ΔQ) 작용에 의해 냉각(-ΔQ)되고, 제1저온측 열매체 유로(611)를 통해 유동한다. 물론 이에 따라 상기 제1 자기 열교환기(201) 내의 자기 열량 재료(70)는 온도가 상승하게 된다.
제1저온측 열매체 유로(611)를 통해 저온측 열교환기(10)에 이른 열전달유체는 저온부(1)로부터 흡열(+ΔQ)하여 저온부(1)를 냉각(-ΔQ)한다. 그리고 상기 열전달 유체는 상기 제1저온측 열매체 유로(611)를 통해 제2 자기 열교환기(202)에 도달하고, 제2 자기 열교환기(202)를 통과하게 된다.
제2 자기 열교환기(202) 내의 자기 열량 재료(70)는 자계 하에 놓여 있으므로 발열(-ΔQ)한다. 이에 따라 상기 제2 자기 열교환기(202)를 흐르는 열전달 유체는 상기 자기 열량 재료(70)로부터 열을 흡수(+ΔQ)하여 온도가 상승한다. 물론 이에 따라 상기 제2 자기 열교환기(202) 내의 자기 열량 재료(70)는 온도가 하강하게 된다.
온도가 상승된 열전달 유체는 상기 제1고온측 열매체 유로(651)를 통해 상기 펌프(40)의 제2레저버(412)로 유동하고, 고온측 열교환기(50)와 팬(51)에 의해 방열(-ΔQ)함으로써 냉각된다.
이와 같이 자기 냉각 시스템의 도 1과 같은 작동에 의해, 저온부(1)의 열(-ΔQ)은 고온부(5)로 전달된다(+ΔQ).
도 2에는 자기장 인가부(30)가 제1 자기 열교환기(201)에 위치하여 제1 자기 열교환기(201) 내부에 내장된 자기 열량 재료(70)에 자기장을 인가하는 상태가 도시되어 있다.
도 2과 같은 상태에서는, 상기 펌프(40)의 피스톤(42)이 도면 상 좌측으로 이동하여, 제2레저버(412)에 있던 열전달 유체를 제2고온측 열매체 유로(652)를 통해 제2 자기 열교환기(202)로 밀어낸다. 그러면 열전달 유체는, 자기장이 소거된 제2 자기 열교환기(202) 내의 자기 열량 재료(70)의 흡열(+ΔQ) 작용에 의해 냉각(-ΔQ)되고, 제2저온측 열매체 유로(612)를 통해 유동한다. 물론 이에 따라 상기 제2 자기 열교환기(202) 내의 자기 열량 재료(70)는 온도가 상승하게 된다.
제2저온측 열매체 유로(612)를 통해 저온측 열교환기(10)에 이른 열전달유체는 저온부(1)로부터 흡열(+ΔQ)하여 저온부(1)를 냉각(-ΔQ)한다. 그리고 상기 열전달 유체는 상기 제2저온측 열매체 유로(612)를 통해 제1 자기 열교환기(201)에 도달하고, 상기 제1 자기 열교환기(201)를 통과하게 된다.
제1 자기 열교환기(201) 내의 자기 열량 재료(70)는 자계 하에 놓여 있으므로 발열(-ΔQ)한다. 이에 따라 상기 제1 자기 열교환기(201)를 흐르는 열전달 유체는 상기 자기 열량 재료(70)로부터 열을 흡수(+ΔQ)하여 온도가 상승한다. 물론 이에 따라 상기 제1 자기 열교환기(201) 내의 자기 열량 재료(70)는 온도가 하강하게 된다.
온도가 상승된 열전달 유체는 상기 제2고온측 열매체 유로(652)를 통해 상기 펌프(40)의 제1레저버(411)로 유동하고, 고온측 열교환기(50)와 팬(51)에 의해 방열(-ΔQ)함으로써 냉각된다.
이와 같이 자기 냉각 시스템의 도 2과 같은 작동에 의해, 저온부(1)의 열(-ΔQ)은 열전달 매체를 통해 고온부(5)로 전달된다(+ΔQ).
상기 도 1의 작동과 도 2의 작동은 교번으로 일어난다.
따라서 도 1과 도 2의 작동이 일어날 때마다 저온부(1)의 열(-ΔQ)은 열전달 매체를 통해 고온부(5)로 전달되고(+ΔQ), 이에 따라 저온부(1)는 지속적으로 냉각된다. 그리고 열전달 매체의 상 변화는 일어나지 않는다. 자기 냉각 시스템에 전통적인 냉각 시스템에 구비된 압축기 등이 설치되지 아니하므로, 소음에서 더 자유로울 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전달 유체가 제1방향(도 1의 시계방향)으로 유동할 때에는 제1고온측 열매체 유로(651)와 제1저온측 열매체 유로(611)를 통해 열전달 유체가 이동하고, 열전달 유체가 제2방향(도 2의 반시계방향)으로 유동할 때에는 제2고온측 열매체 유로(652)와 제2저온측 열매체 유로(612)를 통해 열전달 유체가 이동한다. 즉 각 유로에서 열전달 유체는 일방향으로만 유동하게 된다. 따라서 하나의 유로 내에서 열전달 유체가 정방향과 역방향으로 흐르지 않고, 이에 따라 유체가 뒤섞여 열전달 손실이 일어나는 현상이 방지된다.
앞서 설명한 도 1과 도 2의 자기 냉각 시스템의 작동은, 자기장 인가부(30)의 이동에 따른 자기장 인가부(30)의 위치와, 펌프(40)에 의한 열전달 유체 유동 방향이 서로 연동함으로써 연속적으로 이루어질 수 있다.
위와 같이 자기 냉각 시스템이 작동하기 위해 이루어져야 하는 자기장 인가부(30)와 자기 열교환기(20) 사이의 상대적인 위치 변화는 다양한 양태로 구현 가능하다.
도 3에는 이에 대한 다양한 구조가 나타나 있다. (A)에 도시된 자기 냉각 시스템은, 링 형상의 원주 방향으로 나란히 배치되는 복수 개의 자기 열교환기(20)에 자기장을 인가하고 소거하는 방법의 제1예가 개시되어 있다. 자기 열교환기(20)의 링 형상의 내부에는 제1자기장 인가부(31)로서 제1자석이 구비되고, 자기 열교환기(20)의 링 형상의 외부에서 상기 제1자석의 두 극에 각각 대응하는 위치에는, 제2자기장 인가부(32)로서 제2자석이 마련된다.
두 자석(31, 32)이 마주하는 위치 사이에 있는 자기 열교환기(20)에는 자기장이 인가되므로 그 내부의 자기 열량 재료(70)는 발열한다. 반면 두 자석(31, 32)이 마주하는 위치를 벗어나 배치된 자기 열교환기(20)에는 자기장이 소거되므로 그 내부의 자기 열량 재료(70)는 흡열한다.
(A)의 제1예에서는 자기 열교환기(20)가 회전하는 구조가 예시된다. 자기 열교환기(20)가 회전하면, 자기 열교환기(20)는 주기적으로 상기 두 자석(31, 32) 사이에 배치되거나 두 자석(31, 32) 사이를 벗어나는 것을 반복하게 된다.
(A)의 제1예의 작동 방식은 열전달 유체가 유동해야 하는 자기 열교환기(20)가 회전하므로, 상대적으로 움직이는 배관 부품 사이의 실링 등이 매우 복잡하게 된다.
(B)에 도시된 자기 냉각 시스템은, 자기 열교환기(20)에 자기장을 인가하고 소거하는 방법의 제2예가 개시되어 있다. 자기 열교환기(20)의 링 형상의 내부에는 제1자기장 인가부(31)로서 제1자석이 구비되고, 자기 열교환기(20)의 링 형상의 외부에는 제2자기장 인가부(32)로서 상기 자기 열교환기(20) 전체를 둘러싸는 링 형상의 강자성체가 마련된다.
(B)의 제2예에서는 제1자석(31)의 극 부분과 링 형상의 강자성체(32)가 마주하는 위치 사이에 있는 자기 열교환기(20)에 자기장이 인가된다. 그리고 이를 벗어난 위치의 자기 열교환기(20)에는 자기장이 소거된다.
(B)의 제2예에서는 안쪽의 제1자석(31)을 회전시킴으로써, 자기 열교환기(20)가 제1자석(31)의 극과 마주하거나, 이와 마주하지 않는 것을 반복하게 된다.
(B)의 제2예의 작동 방식은 내부의 제1자석(31)만 회전시키고 링 형상의 강자성체는 회전시킬 필요가 없으므로 구조를 단순하게 할 수 있다. 그러나 서로 다른 극이 서로 마주하는 간극 사이에 자기 열교환기(20)가 배치되는 제1예와 달리, 자기장이 약할 수밖에 없으므로, 자기 열량 재료(70)의 발열 및 흡열 효율이 낮아진다.
(C)에 도시된 자기 냉각 시스템은, 자기 열교환기(20)에 자기장을 인가하고 소거하는 방법의 제3예가 개시되어 있다. 자기 열교환기(20)의 링 형상의 내부에는 제1자기장 인가부(31)로서 강자성체 코어가 구비되고, 자기 열교환기(20)의 링 형상의 외부에 소정의 구간에는 제2자기장 인가부(32)로서 호 형상의 제2자석이 마련된다.
(C)의 제3예에서는 제2자석(32)과 강자성체 코어(31)가 마주하는 위치 사이에 있는 자기 열교환기(20)에 자기장이 인가된다. 그리고 이를 벗어난 위치의 자기 열교환기(20)에는 자기장이 소거된다.
(C)의 제3예에서는 바깥쪽의 제2자석(32)을 회전시킴으로써, 자기 열교환기(20)가 제2자석(32)과 마주하거나, 이와 마주하지 않는 것을 반복하게 된다.
(C)의 제3예의 작동 방식은 외부의 제2자석(31)만 회전시키면 되므로, 제2예보다는 조금 복잡하지만, 여전히 구조를 단순하게 할 수 있다. 그러나 서로 다른 극이 서로 마주하는 간극 사이에 자기 열교환기(20)가 배치되는 제1예와 달리, 여전히 자기장이 약할 수밖에 없으므로, 자기 열량 재료(70)의 발열 및 흡열 효율이 낮아진다.
(D)의 제4예의 구조는 앞서 (A)의 제1예와 동일하다. 다만 제4예에서는, 자기 열교환기(20)는 고정된 상태를 유지하고, 제1자석(31)과 제2자석(32)을 함께 회전시킨다는 점에서, 제1예와 차이가 있다.
자기 열교환기(20)가 제1자석(31)과 제2자석(32) 사이를 가로막고 있기 때문에, 제1자석과 제2자석이 서로 동조 회전되도록 하기 위해서는, 그들 사이를 가로막는 상기 자기 열교환기(20)를 우회하여, 두 자석을 연동하는 동력 전달 구조를 마련하여야 한다.
그러나 본 발명의 발명자는, 자기 냉각 장치에서 자기 열교환기에 자기장을 인가하거나 소거하는 주기가 상대적으로 길어, 상기 제1자석(31)과 제2자석(32)이 저속으로 등속 회전한다는 점에 착안하여, 서로 다른 극성으로 마주하고 있는 제1자석(31)과 제2자석(32)의 인력만으로, 제1자석(31)과 제2자석(32)이 동조 회전하도록 하는 구조를 고안하여 개시한다.
즉 제1자석(31)을 회전시키면, 제2자석(32)이 인력에 의해 상기 제1자석(31)을 따라 회전하는 원리, 또는 그 반대로, 제2자석(32)을 회전시키면, 제1자석(31)이 인력에 의해 제2자석(32)을 따라 회전하는 원리를 이용하는 것이다. 이러한 원리는, 매우 간단한 구조로 두 자석을 동조 회전시킬 수 있으며, 아울러 자기 열교환기(20)에 인가되거나 소거되는 자기장의 세기를 매우 강하게 할 수 있다.
참고로, 자기열량재료에 주어지는 자속밀도의 변화폭의 차이가 클수록 발열/흡열의 성능 계수가 높아지므로, 자기장의 세기가 셀수록 냉각 성능이 향상된다. 이러한 관점에서 도 3의 (A)와 (D)에 도시된 제1예 및 제4예는 제2예 및 제3예보다 냉각 성능이 더욱 우수하다.
아울러 자기장의 세기가 세다면 그만큼 제1자석과 제2자석 간의 인력도 커지게 되므로, 두 자기장 인가부(31, 32)의 동조에 더욱 유리하다.
[자기 냉각 시스템의 구조]
이하 도 4 내지 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템의 구조에 대해 상세히 설명한다.
자기 냉각 시스템은, 자기 열교환기(20)와 자기장 인가부(30)가 수용 설치되는 하우징(80)을 구비한다. 하우징(80)은 원통형의 측벽부인 외주벽(81)과, 상기 외주벽(81)의 상부(일측 단부)를 덮는 평판 링 형상의 제1커버(82)와, 상기 외주벽(81)의 하부(타측 단부)를 덮는 평판 링 형상의 제2커버(83)를 포함한다. 상기 하우징(80)은 고정단에 고정된다. 상기 하우징(80)의 내부에는 원통형상의 중공부가 구비된다.
상기 하우징(80)에 의해 규정되는 내부 공간에 있어서, 상기 원통형의 중심으로부터 가장 먼 위치에는 제2자기장 인가부(32)가 수용된다. 상기 제2자기장 인가부(32)는 상기 하우징(80)에 대해 상대적인 회전이 자유롭도록 상기 하우징(80) 내에 설치된다.
구체적으로 상기 제2자기장 인가부(32)는 링 형상으로 이루어진다. 상기 제2자기장 인가부(32)는, 대체적으로 링 형상을 가지는 링부재(322)의 내주면의 소정 부위에 제2자석(321)이 설치되어, 전체적으로 두루마리 화장지와 같은 링 형상을 구비하게 된다. 상기 제2자석(321)은 제2자기장 인가부(32)의 중심으로부터 방사상 위치에 설치된다.
본 발명의 실시예에서는 2개의 제2자석(321)이 180도 간격으로 설치된 구조가 예시된다. 그러나 필요에 따라 이는 3개의 자석이 120도 간격으로 설치되거나, 4개의 자석이 90도 간격으로 설치되는 등, 다양한 변형이 가능하다.
상기 링부재(322)는 상기 제2자석(321)의 외주면을 둘러싸는 실린더 형상의 상하연장부재(3221)와, 상기 상하연장부재(3221)의 상단부와 하단부에서 각각 반경방향으로 내향 연장되는 플랜지 형태의 반경방향내향부재(3222)와, 상기 한 쌍의 반경방향내향부재(3222)의 반경방향 내측 단부에서 각각 축방향으로 외향 연장된 링 형상의 베어링 안착턱(3223)을 구비한다.
상기 반경방향내향부재(3222)는 제2자석(321)의 상부와 하부를 커버한다. 상기 한 쌍의 반경방향내향부재(3222) 중 어느 하나는 상기 상하연장부재(3221)와 일체로 제작되고, 나머지 하나는 분할 제작된 후 조립될 수 있다. 분할 제작된 반경방향내향부재(3222)는, 상하연장부재(3221) 내측에 제2 자석(321)이 설치된 후 조립될 수 있다.
상기 제2자기장 인가부(32)의 내주면의 상부와 하부에는 각각 제1베어링(323)이 마련된다. 상기 제1베어링(323)은 내륜과 외륜, 그리고 내륜과 외륜 사이에 볼 등의 구름체가 개재된 구름 베어링일 수 있다. 상기 제2자기장 인가부(32)의 상부와 하부에 마련된 베어링 안착턱(3223)은 상기 제1베어링(323)의 내륜의 내주면 및 축방향 일측면과 맞물린다.
제1베어링(323)은 상기 제1커버(82)와 제2커버(83)의 중앙에 마련된 홀(821)의 내주면 및/또는 그 주변에 설치되어 지지된다. 즉 상기 한 쌍의 제1베어링(323)의 외륜은 각각 하우징(80)의 제1커버(82)와 제2커버(83)에 고정된다. 구체적으로, 상기 제1베어링(323)의 외륜의 외주면 및 축방향 타측면은 상기 제1커버와 제2커버의 안쪽 가장자리에 맞물린다.
따라서 상기 제2자기장 인가부(32)는 그 상부와 하부에 각각 설치된 제1베어링(323)을 통해 상기 하우징(80)에 회전 자유롭게 지지된다. 상기 구름 베어링은 상기 제2자기장인가부(32)를 반경 방향으로 회전 가능하게 지지함은 물론, 축 방향으로도 회전 가능하게 지지한다. 즉 상기 제1베어링(323)은 상기 제2자기장인가부(32)의 축방향 위치를 규제한다.
상기 하우징(80)에는 상기 제2자기장 인가부(32)가 회전 가능하게 설치되며 수용된다. 구체적으로, 상기 하우징(80)의 외주벽(81)은 상기 제2자기장인가부(32)의 상하연장부재(3221)을 둘러싸고, 상기 하우징(80)의 제1커버(82)와 제2커버(83)는 상기 반경방향 내향부재(3222)를 둘러싼다. 따라서 상기 하우징(80)과 상기 제2자기장 인가부(32)는 모듈화 될 수 있다. 모듈화된 하우징(80)과 제2자기장 인가부(32)의 내주면에는 상기 제2자석(321)이 배치된다. 이와 같이 하우징과 제2자기장 인가부가 모듈화되면 후술할 제3커버(21)와 제4커버(62) 어느 하나만을 분리하고서도 내부, 가령 제1베어링(323)과 제2베어링(313), 자기열교환기(20) 등의 유지보수가 가능하다. 또한 상기 제2자기장 인가부(32)와 하우징(80)의 모듈 구조에 따르면, 제1베어링(323)의 직경을 크게 줄일 수 있다.
상기 제2자기장 인가부(32)의 내주면에 의해 규정되는 중공의 공간에는, 자기 열교환기(20)가 설치된다. 자기 열교환기(20) 역시 전체적으로 두루마리 화장지와 같은 링 형상을 구비한다. 또한 자기 열교환기(20)의 외주면의 직경은 상기 제2 자기장 인가부(32)의 내주면의 직경보다 작아 약간 이격된다. 상기 제2자기장 인가부(32)와 자기 열교환기(20)는 동심 정렬된다.
자기 열교환기(20)는 상하로 연장되는 자기 열교환기들이 원주 방향을 따라 복수 개 나란히 배치된 구조의 조립체이다. 본 발명의 실시예에서는 도 7에 도시된 바와 같이 13개의 자기 열교환기(20)가 원주 방향을 따라 나란히 배열된 자기 열교환기의 조립체 구조가 예시된다. 또한 도 7에는, 앞서 도 1과 도 2에서 설명하였듯이, 하나의 자기 열교환기(20)의 하단부에 한 쌍의 저온측 열매체 유로(611, 612)가 연결된 구조가 예시된다.
상기 개별 자기 열교환기(20)들의 개수나 열매체 유로의 개수 등은 냉각 시스템의 제원이나 열매체 유동의 목적에 따라 다양한 변경이 가능하다.
상기 자기 열교환기(20)의 상단부에는, 환형 평판 형상을 이루며 상기 자기 열교환기(20)의 상단부로부터 반경 방향으로 외향 연장되고 또한 내향 연장되는 제3커버(21)가 구비된다. 상기 제3커버(21)에서 상기 자기 열교환기(20)로부터 외향 연장되는 외향연장부(211)는 상기 하우징(80)의 제1커버(82)의 홀(821) 주변에서 상기 제1커버(82)의 상부면에 맞물려 고정된다. 이에 따라 상기 자기 열교환기(20)는 하우징(80)에 고정 설치된다. 상기 외향연장부(211)는 상기 베어링 안착턱(3223)과 제1베어링(323)으로부터 상부로 이격되어 배치된다. 상기 제3커버(21)는 조립의 편의성 등을 위해 상기 자기 열교환기(20)와 조립되어 일체를 이룰 수 있다. 그러면 제3커버(21)를 제1커버(82) 상에 거치하는 것만으로도, 조립과정에서 자기 열교환기(20)가 하우징(80) 내부에 수용된 상태를 유지할 수 있다. 상기 제3커버(21)에서 상기 자기 열교환기(20)로부터 내향 연장되는 내향연장부(212)는 후술할 제1자기장 인가부(31)의 제2베어링(313)을 지지한다.
도 6을 참조하면, 상기 자기 열교환기(20)의 하단부에는, 상기 자기 열교환기(20)의 하단부와 고정되고 상기 하우징(80)의 제2커버(83)와 고정되는 제4커버(62)가 설치된다. 상기 제4커버(62)는, 환형 평판 형상을 이루며 상기 자기 열교환기(20)의 하단부로부터 반경 방향으로 외향 연장되고 또한 내향 연장된다. 상기 제4커버(62)에서 상기 자기 열교환기로부터 외향 연장되는 외향연장부재(621)는 상기 하우징(80)의 제2커버(83)의 내주면 주변에서 상기 제2커버(83)의 하부면에 맞물려 고정된다. 이에 따라 상기 자기 열교환기(20)는 하우징(80)에 고정 설치된다. 상기 외향연장부재(621)는 상기 베어링 안착턱(3223)과 제1베어링(323)으로부터 하부로 이격되어 배치된다. 상기 제4커버(62)에서 상기 자기 열교환기(20)로부터 내향 연장되는 내향연장부재(622)는 후술할 제1자기장 인가부(31)의 제2베어링(313)을 지지한다.
제4커버(62)는 자기 열교환기(20)의 하단부를 상기 하우징(80)에 견고히 고정해준다. 아울러 상기 제4커버(62)에는, 상기 자기 열교환기(20)의 하단에 연결되는 저온측 열매체 유로(61)가 형성되어 있다.
참고로 상기 자기 열교환기(20)와 일체로 조립된 제3커버(21)를 하우징에 고정하고, 상기 자기 열교환기(20) 안쪽에 후술할 제1자기장 인가부(31)가 수용된 상태에서, 상기 제4커버(62)가 자기 열교환기와 하우징에 고정될 수 있다.
상기 제4커버(62)의 중심부에는, 후술할 샤프트(92)가 관통하기 위한 홀이 형성되어 있다. 마찬가지로, 만약 샤프트(92)가 위쪽으로 연결된다면, 제3커버(21)의 중심에도 샤프트가 관통하기 위한 홀이 형성될 수 있다. 아울러 제3커버(21)가 아래쪽에 위치하고, 유로부재가 형성된 제4커버(62)가 상부에 설치되는 형태도 적용 가능함은 물론이다.
상기 자기 열교환기(20)의 링 형상의 안쪽 공간에는 제1자기장 인가부(31)가 설치된다. 상기 제1자기장 인가부(31)는 원기둥 형태로 이루어진다. 제1 자기장 인가부(31)는 상기 제2자석(321)과 대응하는 위치에 마련된 제1자석(311)을 포함한다. 제1자석(311)은 원통형 코어부재(312)에 외주에 설치되어 전체적으로 원통의 형상을 이룬다. 제1 자기장 인가부(31)의 외주면의 직경은 상기 자기 열교환기(20)의 내주면의 직경보다 약간 작아 서로 이격된다. 그리고 상기 제1자기장 인가부(31), 자기 열교환기(20) 및 제2자기장 인가부(32)는 상호 동심 정렬된다.
본 발명의 실시예에서는 2개의 제1자석(311)이 180도 간격으로 설치된 구조가 예시된다. 그러나 필요에 따라 이는 3개의 자석이 120도 간격으로 설치되거나, 4개의 자석이 90도 간격으로 설치되는 등, 다양한 변형이 가능하다. 그리고 상기 제1자석(311)의 개수와 배치는 상기 제2자석(321)의 개수와 배치와 대응하여 변형될 수 있다.
상기 제1자기장 인가부(31)의 상단부와 하단부에는 각각 상부부재(314)와 하부부재(315)가 결합된다. 상기 상부부재(314)는 회전 중심축과 나란하게 상향 연장되는 축연장부(316)을 구비하고, 상기 하부부재(315)는 그 회전 중심으로부터 하향 연장되는 샤프트(92)를 구비한다. 상기 상부부재(314)와 하부부재(315)에는 제2베어링(313)이 설치된다. 상기 제2베어링(313)은 내륜과 외륜, 그리고 내륜과 외륜 사이에 볼 등의 구름체가 개재된 구름 베어링일 수 있다.
상기 제1자기장 인가부(31)의 상부부재(314)와 축연장부(316)는 상기 제2베어링(313)의 내륜의 내주면과 축방향 일측면과 맞물린다. 그리고 상기 제3커버(21)의 내향연장부(212)의 내측 가장자리는 상기 제2베어링(313)의 외륜의 외주면과 축방향 타측면과 맞물린다.
하부부재(315)의 샤프트(92)에는 상기 제2베어링(313)의 내륜의 내주면과 축방향 일측면이 맞물린다. 그리고 이에 대응하는 외륜의 외주면과 축방향 타측면은 상기 제4커버(62)의 내향연장부재(622) 측에 맞물린다.
상단부에 마련된 제2베어링(313)은, 하우징(80)의 제1커버(82)에 고정되어 있는 상기 자기 열교환기(20)의 제3커버(21)의 상단부 내주면 부근에 설치됨으로써, 결과적으로 하우징(80)에 고정된다. 하단부에 마련된 제2베어링(313)은, 하우징(80)의 제2커버(83)에 고정되어 있는 상기 제4커버(62)의 내주면 부근에 설치됨으로써, 결과적으로 하우징(80)에 고정된다. 하단부의 제2베어링(313)은 제1자기장 인가부(31)의 하단부에 위치하거나, 상기 제1자기장 인가부(31)의 하단부에 연결되는 샤프트(92)에 위치할 수 있다. 이에 따라 상기 제1자기장 인가부(31) 역시 회전 자유롭게 하우징(80)에 설치된다.
위와 같은 구조에 따르면, 하우징에 대해 상대적으로 회전하는 두 자기장 인가부(31, 32)의 회전을 지지하는 베어링(313, 323)의 직경을 최소화할 수 있으므로, 베어링의 신뢰성을 더 높일 수 있고 베어링 비용을 최소화할 수 있다. 또한 상술한 베어링과 자기 열교환기는, 제1커버와 제2커버의 분리 없이, 제3커버와 제4커버를 분리하는 것만으로도 외부에서 접근 가능하므로, 유지 보수가 편리하다.
상기 제3커버와 제4커버에는 열매체 유로가 형성될 수 있다. 구체적으로 제3커버(21)에는 고온측 열매체 유로(65)가 형성되고, 제4커버(62)에는 저온측 열매체 유로(61)가 형성될 수 있다. 즉 상기 제3커버와 제4커버는, 자기 열교환기(20)와 제1자기장 인가부(31)를 하우징과 연결 지지하는 기능을 하는 것에서 더 나아가 열매체 유로(60)를 구성하고, 아울러 베어링(313, 323)을 덮어 보호하는 기능을 함께 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1자기장 인가부(31)의 중심축의 하단부에 샤프트(92)가 하향 연장되어 있고, 상기 샤프트(92)는 감속기(91)를 통해 구동부, 즉 모터(90)와 연결된다.
모터(90)가 회전하면, 그 속도가 감속되어 상기 샤프트(92)에 전달되고, 상기 제1자기장 인가부(31)는 상기 하우징(80)에 대해 상대적으로 회전하게 된다. 그러면 상기 제1자기장 인가부(31)의 제1자석(311)과 마주하고 있는 제2자석(321)에 인력이 작용하게 되고, 이에 따라 상기 제2자석(321)이 구비된 제2자기장 인가부(32)가 상기 제1자기장 인가부(31)와 동조 회전하게 된다.
상기 제1자기장 인가부(31)와 대비하여 상기 제2자기장 인가부(32)는 관성 모멘트(moment of inertia)가 더 크다. 따라서 두 자기장 인가부(31, 32) 사이의 인력이 부족하면 제1자기장 인가부(31)와 제2자기장 인가부(32) 사이에는 각도 오프셋이 발생할 수밖에 없다.
그러나 앞서 설명한 바와 같이 제1자기장 인가부(31)와 제2자기장 인가부(32)가 저속 등속 운동을 하고, 두 자석(311, 312)이 매우 가깝게 위치하기 때문에, 두 자기장 인가부 사이의 각도 오프셋은 아무리 과도한 운전을 하더라도 3~4°를 넘지 않고, 이는 성능에 거의 영향을 미치지 않는 정도의 오프셋임을 확인하였다.
따라서 제1자기장 인가부(31)를 회전 구동하고, 두 자석(311, 312) 간의 인력 외에 별도의 물리적인 동력 전달 구조가 부가되지 않더라도, 두 자기장 인가부(31, 32)의 동조 회전에는 아무런 문제가 없다.
상기 두 자기장 인가부의 회전 속도는 최대 300rpm, 즉 5Hz를 넘지 않도록 할 수 있으며, 바람직하게는 2Hz 정도로 운전될 수 있다.
제1자기장 인가부(31)를 회전 구동하는 것이 구동 계통을 더 간단하게 구현할 수 있다는 점에서 바람직하지만, 제2자기장 인가부(32)를 구동하여 제1자기장 인가부(31)가 인력에 의해 동조 회전하는 방식을 적용하여도 무방함은 물론이다.
도 7을 참조하면 상기 제1자기장 인가부(31)의 제1자석(311)과 상기 제2자기장 인가부(32)의 제2자석(321)은 서로 상보적인 극을 마주하며 배치된다. 그리고 상기 코어부재(312)와 링부재(322)는 강자성체 재질이다. 따라서 제1자기장 인가부(31)와 제2자기장 인가부(32)에 의해 도 7에 도시된 점선 화살표 방향의 자기회로가 구성된다.
이와 같이 자기회로가 구성된 상태에서 상기 구동부(90)에 의해 제1자기장 인가부(31)와, 제2자기장 인가부(32)가 회전하면, 하우징(80)에 고정되어 있는 복수 개의 자기 열교환기(20)는 차례로 자기장이 인가되고 자기장이 소거되는 현상을 반복하게 된다.
한편 도 4를 참조하면, 상기 하우징(80)에 고정된 자기 열교환기(20)의 상부에는 고온측 열매체 유로(65)가 형성된 조립체가 설치된다. 그리고 그 내부에는 앞서 도 1과 도 2에서 설명한 펌프(40)가 내장되어 있다.
저온의 열매체는 하부로 유동하고 고온의 열매체는 상부로 유동하는 것이 보다 자연스러운 유동을 유도하게 된다. 또한, 열전달 유체에서 기체가 발생한 경우 기체가 갇혀 있지 않고 상부로 떠오르도록 할 필요가 있다. 특히 기체의 경우, 액체보다 비체적이 매우 떨어지므로, 열전달 유체에서 기체가 발생하면 열교환 효율이 급격히 떨어질 수 있다.
이에 본 발명의 자기 냉각 시스템은 도 4나 도 6에 도시된 바와 같이 세워진 형태로 설치된다. 또한 자기 열교환기(20)의 하부에는 저온측 열매체 유로(61)를 배치하고, 상부에는 고온측 열매체 유로(65)와 펌프(40)를 배치하여, 상부가 고온부(5), 하부가 저온부(1)가 되도록 배열한다. 그러면 열전달 유체에서 발생한 기체는 자연스럽게 상부로 상승하게 되므로, 자기 열교환기 내에는 기체가 갇히거나 머무르는 문제가 발생하지 않는다. 따라서 자기 열교환기 내에는 기체가 없이 열전달 유체로 가득찬 상태를 유지하게 되고, 이에 따라 열교환 효율이 떨어지는 문제는 발생하지 않는다. 반면 자기 열교환기를 눕힌 자세로 설치하는 구조에 의하면, 유체에서 발생하는 기체가 지속적으로 자기 열교환기 내에 머무르게 되고, 그로 인해 열교환 효율을 떨어질 수밖에 없다.
그리고 두 열매체 유로 사이에 있는 하우징(80)에는 자기장 인가부(30)가 회전 가능하게 설치되고, 자기 열교환기(20)가 고정 설치된다. 아울러 저온측 열매체 유로(61)는 도시되지 않은 저온부에 위치하는 저온측 열교환기를 경유하고, 고온측 열매체 유로(65)는 도시되지 않은 고온부에 위치하는 고온측 열교환기를 경유한다.
이하 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템의 작동에 대해 설명한다.
구동부(90)는 2Hz의 속도로 상기 제1 자기장 인가부(31)를 회전시킨다. 그러면 상기 제1자기장 인가부(31)와의 인력에 의해, 상기 제2자기장 인가부(32)가 동조 회전한다. 펌프(40)는, 구동부(90)에 의해 이동하는 자기장 인가부(30)와 인접함에 따라 자화 되는 자기 열교환기(20) 쪽 열전달 유체를 고온측 열매체 유로(65)로 끌어올리고, 자기장 인가부(30)가 멀어져 탈자 되는 자기 열교환기(20) 쪽으로 열전달 유체를 밀어 내린다.
상기 두 자기 열교환기(20)는 저온측 열매체 유로(61)에 의해 상호 연통되어 있으므로, 탈자하는 자기 열교환기(20) 내를 유동하는 열전달 유체는 자기 열량 재료(70)에 의해 냉각되며 저온측 열매체 유로(61)로 하강 이동하고, 저온측 열교환기에서 저온부에 냉기를 전달한 후, 상기 자화하는 자기 열교환기(20) 내를 유동하며 자기 열량 재료(70)에 의해 승온된 상태로 고온측 열매체 유로(65)로 상승 이동하여, 고온측 열교환기(50)에서 방열하게 된다.
구동부(90)가 계속 제1 자기장 인가부(31)를 회전시켜 자기장 인가부(30)가 이웃하는 자기 열교환기(20)로 이동하면, 상기 펌프(40)는 열전달 유체의 유동 방향이 반대가 되도록 하며 열전달 유체를 유동시킨다. 그러면 앞서 설명한 바와 같은 작동이 반복되며 저온부의 냉각이 지속적으로 이루어지게 된다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (10)

  1. 자계가 주어지면 발열하고 자계가 사라지면 흡열하는 자기열량재료(70);
    내부에 상기 자기열량재료(70)를 내장하는 자기 열교환기(20);
    상기 자기 열교환기(20) 내부를 유동하며 상기 자기열량재료(70)와 열교환 하는 열전달 유체;
    상기 자기 열교환기(20)를 사이에 두고 설치되는 제1자기장 인가부(31)와 제2자기장 인가부(32)를 포함하는 자기장 인가부(30);
    상기 자기 열교환기(20)와 자기장 인가부(30)를 수용하되, 상기 자기 열교환기(20)를 고정하고 상기 제1자기장 인가부(31)와 제2자기장 인가부(32)를 각각 회전 가능하게 지지하는 하우징(80); 및
    상기 제1자기장 인가부(31)와 상기 제2자기장 인가부(32) 중 어느 하나를 이동시키는 구동부(90)를 포함하고,
    상기 구동부가 상기 제1자기장 인가부(31)와 상기 제2자기장 인가부(32) 중 어느 하나를 이동시킴에 따라 상기 제1자기장 인가부(31)와 상기 제2자기장 인가부(32) 사이의 인력에 의해 다른 하나가 동조 이동하는 자기 냉각 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자기 열교환기(20)는 세워진 형태로 설치되는 실린더 형상을 포함하고,
    상기 제1자기장 인가부(31)는 상기 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 내측에 위치하고, 상기 제2자기장 인가부(32)는 상기 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 외측에 위치하는 자기 냉각 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1자기장 인가부(31)는, 자기장을 발생시키는 제1 자석(311)과, 상기 자기장의 자기회로를 유도하는 코어부재(312)를 구비하고,
    상기 제2자기장 인가부(32)는, 상기 제1 자석(311)과 상보적인 극성으로 마주하여 배치됨으로써 상기 제1 자석(311)과 협동하여 자기장을 발생시키는 제2 자석(321)과, 상기 자기장의 자기회로를 유도하는 링부재(322)를 구비하며,
    상기 제1 자석(311)은 상기 코어부재(312)의 외주에서 방사상의 위치에 배치되고,
    상기 제2 자석(321)은 상기 링부재(322)의 내주에서 방사상의 위치에 배치되는 자기 냉각 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 하우징(80)은, 상기 제2자기장 인가부(32)의 외주면을 둘러싸는 원통형의 외주벽(81)과, 상기 외주벽(81)의 일측을 덮는 환 형의 제1커버(82)와, 상기 외주벽(81)의 타측을 덮는 환 형의 제2커버(83)를 포함하는 자기 냉각 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2자기장 인가부(32)의 반경방향 내측 상부 둘레에는 제1베어링(323)이 설치되고,
    상기 제1베어링(323)은 상기 제1커버(82)와 제2커버(83)의 반경방향 내측 둘레에 연결되는 자기 냉각 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 축방향 단부 일측에는 상기 자기 열교환기(20)로부터 반경 방향으로 외향 연장되는 외향연장부(211)를 구비하는 제3커버(21)가 마련되고,
    상기 제3커버(21)는 상기 제1커버(82)에 고정되는 자기 냉각 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 축방향 단부 타측에는, 상기 자기 열교환기(20)로부터 반경 방향으로 외향 연장되는 외향연장부재(621)를 구비하는 제4커버(62)가 마련되고,
    상기 제4커버(62)는 상기 자기 열교환기(20)의 타측 단부에 체결되고,
    상기 외향연장부재(621)는 상기 제2커버(83)에 고정되는 자기 냉각 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제3커버(21)는 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 축방향 단부 일측에서 반경 방향으로 내향 연장되는 내향연장부(212)를 더 구비하고,
    상기 제4커버(62)는 자기 열교환기(20)의 실린더 형상의 축방향 단부 타측에서 반경 방향으로 내향 연장되는 내향연장부재(622)를 더 구비하고,
    상기 내향연장부(212)와 내향연장부재(622)는 상기 제1 자기장 인가부(31)의 축방향 양측을 각각 커버하며,
    상기 제1자기장인가부(31)는 회전 중심으로부터 축방향으로 외향 연장되는 축(316, 92)을 구비하고, 상기 축(316, 92)의 둘레에는 제2베어링(313)이 설치되며,
    상기 제2베어링(313)은 상기 제3커버(21)와 제4커버(62)의 반경방향 내측 둘레에 연결되는 자기 냉각 시스템.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제3커버(21)와 제4커버(62)에는 상기 자기 열교환기(20)와 연통하는 열매체 유로(60)가 마련된 자기 냉각 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제3커버(21)가 제4커버(62)의 상부에 배치되고,
    상기 제3커버(21)에는 고온측 열매체 유로(65)가 구비되고,
    상기 제4커버(62)에는 저온측 열매체 유로(65)가 구비되는 자기 냉각 시스템.
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