자기 냉각 시스템{Magnetic cooling system}

본 발명은 자기 냉각 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로, 열전달유체가 자기열교환기로 유입되기 전에 기설정된 상변화 온도를 가지는 상변화물질과 열교환하도록 하여, 자기열교환기로 유입되는 열전달유체의 온도를 일정 범위 내로 유지시킬 수 있는 자기 냉각 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 자기 냉각 시스템은 자기열량재료에 자기장을 인가할 때 상기 자기열량재료로부터 발생되는 열량, 및 상기 자기열량재료에 인가된 자기장을 소거할 때 상기 자기열량재료에 의해 흡수되는 열량을 이용하는 시스템을 나타낸다.

즉, 자기냉동이란, 특정 자기열량재료(또는 자성체)에 자계를 주면 자기열량재료가 발열하고, 자계를 제거하면 그 온도가 내려가는 현상(즉, 자기열량효과, MCE, Magnetocaloric Effect)을 이용한 것이다. 이러한 자기냉동은 프레온이나 플론을 사용하지 않기 때문에 환경에 유익한 냉동기술로서 주목받고 있다.

자기열량재료는 상기 자기열량재료를 통과하는 열전달유체와 열교환하도록 형성될 수 있다.

자기열량재료에 자기장이 인가될 때 상기 자기열량재료는 발열반응을 하며, 상기 자기열량재료를 통과하는 열전달유체는 가열될 수 있다.

이와 달리, 상기 자기열량재료에 인가된 자기장을 소거할 때 상기 자기열량재료는 흡열반응을 하며, 자기열량재료를 통과하는 열전달유체는 냉각될 수 있다.

도 1은 종래의 자기 냉각 시스템(한국공개특허공보 제10-2013-0108765호)을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 마그네트(2)가 자기재생기(1)로 이동하여 자기재생기(1)에 자기장을 인가하면 열전달유체는 유체이송장치(5)에 의해 반시계 방향으로 순환한다. 자기재생기(1)로 유입된 열전달유체는 자기장이 인가된 자기재생기(1)에서 발생된 열을 흡수한 뒤, 고온측열교환기(3)에 도달하여 자기재생기(1)로부터 흡수한 열을 주위로 방출한다. 고온측열교환기(3)에서 주위로 열을 방출한 열전달유체는 저온측열교환기(4)를 거쳐 자기재생기(1)로 유입된다.

이와 달리, 마그네트(2)가 자기재생기(1)로부터 이탈하여 자기재생기(1)의 자기장이 제거되면 열전달유체는 유체이송장치(5)에 의해 시계 방향으로 순환한다. 자기재생기(1)로 유입된 열전달유체는 자기장이 제거된 자기재생기(1)로 열을 전달하고 냉각된 상태로 저온측열교환기(4)에 도달하여 주위의 열을흡수한다. 저온측열교환기(4)에서 주위의 열을 흡수한 열전달유체는 고온측열교환기(3)를 거쳐 자기재생기(1)로 유입되며, 이와 같은 과정으로 1회의 열교환싸이클이 완성된다. 이와 같은 열교환사이클이 지속적으로 반복되는 과정을 통해 난방 또는 냉방에 필요한 고온 또는 저온을 얻게 된다.

한편, 자기열량재료는 다양한 종류가 공개되어 있으며, 그 종류에 따라 서로 다른 큐리 온도를 구비한다.

특히, 상기 자기열량재료는 해당 큐리온도 근방의 온도에서 발열 또는 흡열 반응이 최대로 활성화되고, 해당 큐리온도에서 멀어질수록 발열 또는 흡열 반응이 현격하게 저하된다.

따라서, 자기열량재료를 통과하는 열전달유체의 온도가 상기 가지열량재료를 통과하기 전에 해당 자기열량재료의 큐리온도 근방의 온도로 유지되는 것이 바람직하다.

종래의 자기 냉각 시스템은 자기열량재료의 큐리온도를 고려하지 않고 있는 문제점이 있다.

또한, 종래의 자기 냉각 시스템은 자기열교환기로 유입되는 열전달유체의 온도를 자기열교환기 내에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도 근방으로 유지하기 위한 어떠한 구성도 적용하고 있지 않은 문제점이 있다.

나아가, 종래의 자기 냉각 시스템은 하나의 자기재생기(자기열교환기)를 통해 열전달유체를 자기열량재료와 열교환시키기 때문에, 열교환 능력(가열 또는 냉각 능력)에 한계가 있는 문제점이 있다.

또한, 열전달유체와 자기열량재료의 열교환 효율을 높이기 위하여 자기재생기(1)의 길이를 증가시고 그 안에 자기열량재료의 양을 증가시키게 되면, 자기재생기(1)를 통과하는 열전달유체의 압력강하로 인해 시스템 전체의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자기열교환기 내에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도를 고려하여 자기열량재료의 흡열 또는 발열 반응을 극대화시킬 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 자기열교환기로 유입되는 열전달유체의 온도를 자기열교환기 내에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도 근방으로 유지하여, 해당 자기열량재료의 흡열 또는 발열 반응을 극대화시킬 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 병렬로 연결된 복수 개의 자기열교환기를 통하여 열교환 능력을 향상시킬 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위한 것으로서, 내부에 자기열량재료를 구비하고, 열전달유체가 통과하도록 형성된 하나 이상의 자기열교환기; 상기 자기열교환기에 선택적으로 자기장을 인가하도록 형성된 자기장 인가부; 상기 자기열교환기에 열전달유체를 공급하도록 형성된 펌프; 상기 자기열교환기의 입구단에 구비되어, 상기 자기열교환기로 유입되는 열전달유체의 온도를 기설정된 온도 범위 내로 유지시키도록 형성된 보조열교환기를 포함하는 자기 냉각 시스템을 제공한다.

상기 보조열교환기는 기설정된 상변화 온도를 가지는 상변화물질을 포함하고, 상기 열전달유체는 상기 자기열교환기로 유입되기 전에 상기 상변화물질과 열교환할 수 있다.

상기 자기열교환기는 열전달유체의 유동방향을 따라 순차적으로 배열된 복수 개의 자기열교환부를 포함하고, 복수 개의 자기열교환부에는 서로 다른 큐리온도를 가지는 자기열량재료가 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 자기 냉각 시스템은 자기장 인가부에 의해 자기열교환기에 자기장이 인가될 때, 상기 자기열교환기를 통과한 열전달 유체가 안내되는 온열교환기; 및 자기장 인가부에 의해 자기열교환기에 자기장이 제거될 때, 상기 자기열교환기를 통과한 열전달유체가 안내되는 냉열교환기를 더 포함할 수 있다.

상기 보조열교환기는 상기 온열교환기와 상기 자기열교환기 사이에 구비되는 제1보조열교환기, 및 상기 냉열교환기와 상기 자기열교환기 사이에 구비되는 제2보조열교환기를 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 자기열교환부는 상기 온열교환기에 인접하도록 상기 자기열교환기의 제1단부에 구비되는 제1자기열교환부 및 상기 냉열교환기에 인접하도록 상기 자기열교환기의 제2단부에 구비되는 제2자기열교환부를 포함할 수 있다.

상기 제1자기열교환부에 구비되는 제1자기열량재료의 제1큐리온도는 상기 제2자기열교환부에 구비되는 제2자기열량재료의 제2큐리온도보다 높은 것이 바람직하다.

상기 복수 개의 자기열교환부는 상기 제1자기열교환부와 상기 제2자기열교환부 사이에 구비되는 하나 이상의 제3자기열교환부들을 더 포함할 수 있다.

상기 하나 이상의 제3자기열교환부들에 구비되는 자기열량재료 각각의 큐리온도는 상기 제1자기열교환부에서 상기 제2자기열교환부로 갈수록 점진적으로 낮아지는 것이 바람직하다.

상기 제1자기열교환부와 상기 온열교환기 사이를 연결하는 제1유로는 상기 제1보조열교환기를 통과하고, 상기 제2자기열교환부와 상기 냉열교환기 사이를 연결하는 제2유로는 상기 제2보조열교환기를 통과할 수 있다.

상기 제1보조열교환기에 구비되는 제1상변화물질의 제1상변화 온도는 상기 제2보조열교환기에 구비되는 제2상변화물질의 제2상변화 온도보다 높은 것이 바람직하다.

상기 제1상변화 온도와 상기 제1큐리온도 사이의 차이 및 상기 제2상변화 온도와 상기 제2큐리온도 사이의 차이는 각각 5℃ 이하가 될 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템은 복수 개의 자기열교환기들을 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 자기열교환기들은, 상기 자기장 인가부에 의해 자기장이 동시에 인가 또는 제거되도록 서로 병렬로 연결된 제1자기열교환기와 제2자기열교환기; 및 상기 자기장 인가부에 의해 자기장이 동시에 제거 또는 인가되도록 서로 병렬로 연결된 제3자기열교환기와 제4자기열교환기를 포함할 수 있다.

상기 제1 내지 제4자기 열교환기는 원형 링 형태의 지지부에 설치되고, 상기 제1자기열교환기와 상기 제2자기열교환기는 서로 마주하도록 배치되고, 상기 제3자기열교환기와 상기 제4자기열교환기는 서로 마주하도록 배치될 수 있다.

상기 자기장 인가부는 상기 지지부 내측에서 모터에 의해 회전되는 기설정된 길이의 영구자석을 포함할 수 있다.

상기 펌프는 실린더 및 상기 실린더 내측에서 상기 실린더의 길이방향으로 왕복운동하는 피스톤을 포함하고, 상기 피스톤의 왕복운동에 의해 상기 실린더의 길이방향 양 측으로 열전달유체가 번갈아서 토출될 수 있다.

상기 제1 내지 제4 자기열교환기와 상기 온열교환기 사이에 상기 제1보조열교환기가 구비되고, 상기 냉열교환기의 전단 및 후단에 상기 제2보조열교환기가 각각 구비도리 수 있다.

상기 온열교환기는 상기 제1자기열교환기와 상기 제2자기열교환기에 의해 가열된 열전달유체가 안내되는 제1온열교환기 및 상기 제3자기열교환기와 상기 제4자기열교환기를 통해 가열된 열전달유체가 안내되는 제2온열교환기를 포함할 수 있다.

상기 제1보조열교환기는 상기 제1자기열교환기 및 상기 제2자기열교환기와 상기 제1온열교환기 사이, 및 상기 제3자기열교환기 및 상기 제4자기열교환기와 상기 제2온열교환기 사이에 각각 구비될 수 있다.

한편, 상기 펌프의 작동에 기초하여, 상기 제1 내지 제4 자기열교환기 각각의 입구단 및 출구단이 결정도리 수 있다.

본 발명에 따르면, 자기열교환기 내에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도를 고려하여 자기열량재료의 흡열 또는 발열 반응을 극대화시킬 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 자기열교환기로 유입되는 열전달유체의 온도를 자기열교환기 내에 구비되는 자기열량재료의 큐리온도 근방으로 유지하여, 해당 자기열량재료의 흡열 또는 발열 반응을 극대화시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 병렬로 연결된 복수 개의 자기열교환기를 통하여 열교환 능력을 향상시킬 수 있는 자기 냉각 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 자기 냉각 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기 냉각 시스템의 제1상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기 냉각 시스템의 제2상태를 나타내는 도면이다.]
도 4는 도 2 및 3에 적용된 자기열교환기를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 자기열량재료의 온도에 따른 엔트로피 변화를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 공기조화기를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 자기 냉각 시스템의 제1상태를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 2는 펌프의 구동에 의해 열전달유체가 자기 냉각 사이클을 특정 방향으로 순환하는 모습을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템(10)은 자기열량재료(300)를 구비하는 하나 이상의 자기열교환기(110, 120, 210, 220), 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220)에 선택적으로 자기장을 인가하도록 형성된 자기장 인가부(400), 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220)에 열전달유체를 공급하도록 형성된 펌프(500)를 포함할 수 있다.

이하의 설명에서, 상기 자기열량재료(300)는 모든 자기열교환기들 내에 동일하게 구비되는 것을 전제로 한다.

상기 하나 이상의 자기열교환기(110, 120, 210, 220)는 열전달유체가 통과하도록 형성될 수 있다. 열전달유체가 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220)를 통과하는 과정에서 상기 열전달유체는 상기 자기열량재료(300)와 열교환할 수 있다.

상기 자기장 인가부(400)는 상기 하나 이상의 자기열량재료(300)에 선택적으로 자기장을 인가하도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 자기장 인가부(400)는 상기 자기열량재료(300)에 자기장을 인가하거나, 또는 상기 자기열량재료(300)에 인가된 자기장을 제거 또는 소거하도록 형성될 수 있다.

상기 자기장 인가부(400)에 의해 자기열량재료(300)에 자기장이 인가되면, 상기 자기열량재료(300)는 발열반응을 하고, 상기 열전달유체는 상기 자기열량재료(300)로부터 열을 흡수하게 된다. 즉, 상기 자기장 인가부(400)에 의해 자기열량재료(300)에 자기장이 인가되면, 상기 열전달유체는 가열된다.

반대로, 상기 자기장 인가부(400)에 의해 상기 자기열량재료(300)에 인가된 자기장이 제거되면, 상기 자기열량재료(300)는 흡열반응을 하고, 상기 자기열량재료(300)는 상기 열전달유체로부터 열을 흡수하게 된다. 즉, 상기 자기장 인가부(400)에 의해 상기 자기열량재료(300)에 인가된 자기장이 제거되면, 상기 열전달유체는 냉각된다.

상기 펌프(500)는 상기 복수 개의 자기열교환기들(110, 120; 210, 220) 각각에 열전달유체를 공급하도록 형성될 수 있다.

상기 펌프(500)는 실린더(510) 및 상기 실린더(510) 내측에서 상기 실린더(510)의 길이방향으로 왕복운동하는 피스톤(520)을 포함할 수 있다. 상기 피스톤(520)의 왕복운동에 의해 상기 실린더(510)의 길이방향 양 측으로 열전달유체가 번갈아서 토출 또는 가압될 수 있다.

예를 들어, 도 2에서 실린더(510)는 상하방향으로 연장되도록 형성되고, 피스톤(520)은 하방으로 움직인다. 이때, 상기 실린더(510) 내의 열전달유체는 상기 실린더(510)의 하측을 향해 가압되어, 도 2에 도시된 화살표 방향으로 열전달유체가 자기 냉각 시스템(10)을 순환할 수 있다. 후술할 도 3에서는 피스톤(520)의 운동방향과 열전달유체의 순환방향이 도 2와 반대로 될 수 있다.

한편, 상기 자기열량재료(300)는 특정 큐리온도에서 엔트로피가 증가된다. 즉, 상기 자기열량재료(300)는 특정 큐리온도에서 흡열 또는 발열 반응이 가장 활성화된다. 또한, 상기 자기열량재료(300)는 특정 큐리온도로부터 멀어질수록 흡열 또는 발열 반응이 급격하게 저하된다. 따라서, 상기 열전달유체는 상기 특정 큐리온도 근방의 온도로 상기 자기열량재료(300)에 유입되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 자기 냉각 시스템(10)은 자기열교환기(110, 120, 210, 220)의 입구단에 구비되는 보조열교환기(610, 620)를 더 포함할 수 있다.

상기 보조열교환기(610, 620)는 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220)로 유입되는 열전달유체의 온도를 기설정된 온도 범위 내로 유지시키도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 기설정된 온도 범위는 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220) 내에 구비되는 자기열량재료(300)의 큐리온도 근방의 온도가 될 수 있다.

따라서, 상기 열전달유체가 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220)로 유입될 때, 상기 자기열량재료(300)는 큐리온도 근방의 온도가 되므로, 상기 자기열량재료(300)의 흡열 또는 발열 능력이 증가될 수 있다.

또한, 상기 보조열교환기(610, 620)는 자기열교환기(110, 120, 210, 220)를 통과한 열전달유체로부터 온열 또는 냉열을 전달받아 저장하도록 형성될 수 있다. 상기 보조열교환기(610, 620)가 자기열교환기(110, 120, 210, 220)를 통과한 열전달유체로부터 온열 또는 냉열을 전달받는 과정을 통해 상기 보조열교환기(610, 620)가 재생될 수 있다.

구체적으로, 상기 보조열교환기(610, 620)는 기설정된 상변화 온도를 가지는 상변화물질(PCM, Phase Change Material)을 구비할 수 있다. 즉, 상기 보조열교환기(610, 620) 내에 상기 상변화물질이 구비될 수 있으며, 상기 보조열교환기(610, 620)를 통과하는 열전달유체는 상기 상변화물질과 열교환할 수 있다.

상변화물질은 얼거나 녹는 상변화 과정에서 일정한 온도를 유지하면서 냉열 또는 온열을 저장할 수 있는 물질을 의미한다. 예를 들어, 대표적인 상변화물질로서, 물로 이루어진 얼음은 얼음이 모두 녹을 때까지 얼음물이 0℃로 일정하게 유지될 수 있다. 이러한 상변화물질과 관련하여, 이미 다양한 상변화온도를 가지는 상변화물질들이 공개되어 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

열전달유체는 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220)로 유입되기 전에 상기 보조열교환기(610, 620) 내의 상변화물질과 열교환할 수 있다. 따라서, 상기 열전달유체는 상기 자기열량재료(300)의 큐리온도 근방의 온도로 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220) 내로 유입될 수 있다.

또한, 상기 열전달유체는 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220)를 통과한 후에 상기 보조열교환기(610, 620) 내의 상변화물질과 열교환할 수 있다. 이때, 상기 보조열교환기(610, 620) 내의 상변화물질은 상기 열전달유체로부터 냉열 또는 온열을 전달받아서 재생될 수 있다.

한편, 도 4를 참조하면, 각각의 자기열교환기(110, 120, 210, 220)는 열전달유체의 유동방향을 따라 순차적으로 배열된 복수 개의 자기열교환부(310, 320, 330)를 포함할 수 있다.

이때, 상기 복수 개의 자기열교환부(310, 320, 330)에는 서로 다른 큐리온도를 가지는 자기열량재료(301, 302, 303)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 복수 개의 자기열교환부(310, 320, 330) 각각에 구비되는 자기열량재료(301, 302, 303)의 종류는 서로 상이할 수 있다. 다시 말해서,상기 복수 개의 자기 열교환부(310, 320, 330) 각각에 구비되는 자기열량재료(301, 302, 303)의 큐리온도는 서로 상이할 수 있다.

따라서, 자기열교환기(110, 120, 210, 220)를 통과하는 과정에서, 열전달유체의 온도는 상기 자기열량재료(301, 302, 303) 각각의 큐리온도에 근접한 온도로 각각의 자기열량재료(301, 302, 303)를 통과할 수 있다.

도 2 및 4를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 자기 냉각 시스템(10)은 하나 이상의 온열교환기(810, 920) 및 냉열교환기(830)를 더 포함할 수 있다.

자기장 인가부(400)에 의해 자기열교환기(110, 120, 210, 220)에 자기장이 인가될 때, 상기 온열교환기(810, 820)를 통과한 열전달 유체는 상기 온열교환기(810, 820)로 안내될 수 있다. 상기 온열교환기(810, 820)에서 열전달유체의 온열은 온열이 필요한 외부 설비로 전달될 수 있다. 여기서 외부 설비는 난방기 또는 급탕기 등의 온열을 필요로 하는 설비가 될 수 있다.

또한, 상기 자기장 인가부에 의해 자기열교환기(110, 120, 210, 220)에 자기장이 제거될 때, 상기 자기열교환기를 통과한 열전달유체는 상기 냉열교환기(830)로 안내될 수 있다. 상기 냉열교환기(830)에서 열전달유체의 냉열은 냉열이 필요한 외부 설비로 전달될 수 있다. 여기서, 외부 설비는 공조기, 냉방기 또는 냉동기 등의 냉열을 필요로 하는 설비가 될 수 있다.

상기 외부 설비의 부하가 갑자기 증가하거나, 상기 외부 설비의 부하가 기설정된 부하보다 클 때, 열전달유체의 온도는 자기열량재료의 큐리온도에서 크게 벗어날 수 있다.

예를 들어, 온열교환기(810, 820)로부터 열전달유체의 온열을 제공받는 외부 설비의 부하 또는 냉열교환기(830)로부터 열전달유체의 온열을 제공받는 외부 설비의 부하가 기설정된 부하보다 크면, 상기 온열교환기(810, 820) 또는 상기 냉열교환기(830)를 통과한 열전달유체의 온도가 큰폭으로 변할 수 있다.

보다 구체적으로, 온열교환기(810, 820)를 통과하는 열전달유체의 온도가 외부 설비의 부하 증가로 인해 자기열량재료의 큐리온도보다 큰 폭으로 하강하거나, 냉열교환기(830)를 통과하는 열전달유체의 온도가 외부 설비의 부하 증가로 인해 자기열량재료의 큐리온도보다 큰 폭으로 상승할 수 있다.

큐리온도보다 큰 폭으로 상승하거나 하강한 온도의 열전달유체가 자기열량재료를 통과하게 되면, 자기열량재료의 흡열 또는 방열 효율이 현저하게 저하될 수 있다(도 5 참조).

상기 보조열교환기(610, 620)는 상기 외부 설비의 부하가 갑자기 증가하거나, 상기 외부 설비의 부하가 기설정된 부하보다 클 때, 자기열교환기로 유입되는 열전달유체의 온도를 자기열량재료의 큐리온도로부터 크게 벗어나지 않도록 한다.

이때, 상기 보조열교환기(610, 620)는 상기 온열교환기(810, 820)와 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220) 사이에 구비되는 제1보조열교환기(610), 및 상기 냉열교환기(830)와 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220) 사이에 구비되는 제2보조열교환기(620)를 포함할 수 있다.

상기 제1보조열교환기(610)는 상기 온열교환기(810, 820)와 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220) 사이를 유동하는 열전달유체와 상변화물질을 열교환시키도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 제2보조열교환기(620)는 상기 냉열교환기(830)와 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220) 사이를 유동하는 열전달유체와 상변화물질을 열교환시키도록 형성될 수 있다.

한편, 복수 개의 자기열교환부(310, 320, 330)는 상기 온열교환기(810 820)를 향하도록 배치된 제1자기열교환부(310) 및 상기 냉열교환기(830)를 향하도록 배치된 제2자기열교환부(320)를 포함할 있다.

즉, 상기 제1자기열교환부(310)는 상기 온열교환기(810, 820)에 상대적으로 인접하도록 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220)의 제1단부에 구비될 수 있다. 또한, 상기 제2자기열교환부(320)는 상기 냉열교환기(830)에 상대적으로 인접하도록 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220)의 제2단부에 구비될 수 있다.

이때, 상기 제1자기열교환부(310)에 구비되는 제1자기열량재료의 제1큐리온도는 상기 제2자기열교환부(320)에 구비되는 제2자기열량재료의 제2큐리온도보다 높을 수 있다.

따라서, 열전달유체가 온열교환기(810, 820)를 향해 상기 복수 개의 자기열교환부(310, 320, 330)를 통과할 때, 상기 열전달유체의 온도는 점진적으로 상승할 수 있다. 이와 달리, 열전달유체가 냉열교환기(830)를 향해 상기 복수 개의 자기열교환부(310, 320, 330)를 통과할 때, 상기 열전달유체의 온도는 점진적으로 하강할 수 있다.

상기 복수 개의 자기열교환부들(310, 320, 330)은 상기 제1자기열교환부(310)와 상기 제2자기열교환부(320) 사이에 구비되는 하나 이상의 제3자기열교환부(330)를 더 포함할 수 있다.

상기 하나 이상의 제3자기열교환부(330)에 구비되는 제3자기열량재료의 제3큐리온도는 상기 제1큐리온도도다 낮고 상기 제2큐리온도보다 높을 수 있다.

상기 복수 개의 자기열교환부들(310, 320, 330)은 이웃하는 자기열교환부들 사이에 구비되는 복수 개의 격벽(390)에 의해 구획될 수 있다.

도시된 실시예에서, 제1자기열교환부(310)와 제3자기열교환부(330) 사이, 및 제2자기열교환부(320)와 제3자기열교환부(330) 사이에 격벽(390)이 구비될 수 있다.

상기 격벽(390)은 다공성 부재로 형성되고, 열전달유체는 상기 격벽(390)을 통해 유동할 수 있다.

도 4에서, 제3자기열교환부(330)가 하나인 것으로 도시되어 있으나, 제3자기열교환부(330)는 필요에 따라 복수개가 구비될 수 있다.

제3자기열교환부(330)가 복수개 구비되는 경우, 각각의 제3자기열교환부(330) 내에 구비되는 제3자기열량재료의 제3큐리온도는 상기 제1자기열교환부(310)에서 상기 제2자기열교환부(320)로 갈수록 점진적으로 낮아질 수 있다.

따라서, 열전달유체가 상기 자기열교환기(110, 120, 210, 220)를 통과하는 과정에서, 제1 내지 제3 큐리온도에 기초하여, 열전달유체의 온도는 점진적으로 상승 또는 하강할 수 있다.

상기 제1자기열교환부(310)와 온열교환기(810, 820) 사이를 연결하는 제1유로(710)는 상기 제1보조열교환기(610)를 통과할 수 있다. 따라서, 상기 제1유로(710)를 흐르는 열전달유체와 상기 제1보조열교환기(610) 내의 상변화물질이 서로 열교환할 수 있다.

이와 달리, 상기 제2자기열교환부(320)와 냉열교환기(830) 사이를 연결하는 제2유로(720)는 상기 제2보조열교환기(620)를 통과할 수 있다. 따라서, 상기 제2유로(720)를 흐르는 열전달유체와 상기 제2보조열교환기(620) 내의 상변화물질이 서로 열교환할 수 있다.

한편, 전술한 상변화 물질은 상기 제1보조열교환기(610) 내에 구비되는 제1상변화물질 및 상기 제2보조열교환기(620) 내에 구비되는 제2상변화물질을 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1상변화물질의 제1상변화온도와 상기 제2상변화물질의 제2상변화온도는 서로 상이할 수 있다.

상기 제1상변화물질은 온열교환기(810, 820)를 출입하는 열전달유체와 열교환하고, 제2상변화물질은 냉열교환기(830)를 출입하는 열전달유체와 열교환하기 때문에, 상기 제1상변화물질의 제1상변화온도는 상기 제2상변화물질의 제2상변화온도보다 높을 수 있다.

제1상변화온도가 제1자기열량재료의 제1큐리온도 근방의 온도가 되도록 상기 제1상변화물질이 마련될 수 있다. 또한, 제2상변화온도가 제2자기열량재료의 제2큐리온도 근방의 온도가 되도록 상기 상기 제2상변화물질이 마련될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1상변화온도와 상기 제1큐리온도 사이의 차이 및 상기 제2상변화온도와 상기 제2큐리온도 사이의 차이는 각각 5℃ 이하가 될 수 있다.

즉, 상기 제1상변화온도가 상기 제1큐리온도로부터 ±5℃ 범위가 되는 제1상변화물질이 상기 제1보조열교환기(610) 내에 마련될 수 있다. 또한, 상기 제2상변화온도가 상기 제2큐리온도로부터 ±5℃ 범위가 되는 제2상변화물질이 상기 제2보조열교환기(620) 내에 마련될 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 실시예에 따른 자기 냉각 시스템(10)은 복수 개의 자기열교환기들(110, 120, 210, 220)을 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 자기열교환기들(110, 120, 210, 220)은 자기장 인가부(400)에 의해 자기장이 동시에 인가 또는 제거되도록 서로 병렬로 연결된 제1자기열교환기(110)와 제2자기열교환기(120), 및 상기 자기장 인가부(400)에 의해 자기장이 동시에 제거 또는 인가되도록 서로 병렬로 연결된 제3자기열교환기(210)와 제4자기열교환기(220)를 포함할 수 있다.

이때, 상기 자기장 인가부(400)는 모터(410)에 의해 회전되는 기설정된 길이의 영구자석(420)을 포함할 수 있다. 상기 영구자석(420)의 회전에 기초하여 상기 제1자기열교환기(110)와 제2자기열교환기(120)에 자기장이 인가 또는 제거될 때, 상기 제3자기열교환기(210)와 상기 제4자기열교환기(220)에 자기장이 제거 또는 인가될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 제1 내지 제4자기열교환기(110, 120, 210, 220)는 원형 링 형태의 지지부(S)에 설치될 수 있다. 그리고, 상기 제1자기열교환기(110)와 제2자기열교환기(120)는 서로 마주하도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 제3자기열교환기(210)와 상기 제4자기열교환기(220)는 서로 마주하도록 배치될 수 있다.

즉, 상기 제1자기열교환기(110)의 중심과 상기 제2자기열교환기(120)의 중심을 연결하는 제1가상선은 상기 제3자기열교환기(210)의 중심과 상기 제4자기열교환기(220)의 중심을 연결하는 제2가상선과 직교할 수 있다.

상기 영구자석(420)은 상기 지지부(S) 내측에서 회전될 수 있다. 즉, 상기 영구자석(420)은 원형 링 형태의 지지부(S)의 반경방향 내측에서 회전될 수 있다. 이때, 상기 영구자석(420)은 전술한 펌프(500)의 작동에 기초하여 회전될 수 있다.

상기 펌프(500)의 피스톤(520)이 실린더(510)의 일 단부로 움직일 때, 상기 영구자석(420)은 그 길이방향 양 단부가 상기 제1자기열교환기(110)와 제2자기열교환기(120)를 향하도록 배치될 수 있다(도 2 참조). 이때, 상기 상기 제1자기열교환기(110)와 제2자기열교환기(120)를 향해 자기장이 인가될 수 있다.

이와 달리, 상기 펌프(500)의 피스톤(520)이 실린더(510)의 타 단부로 움직일 때, 상기 영구자석(420)은 그 길이방향 양 단부가 상기 제3자기열교환기(210)와 상기 제4자기열교환기(220)를 향하도록 배치될 수 있다. 이때, 상기 제3자기열교환기(210)와 상기 제4자기열교환기(220)를 향해 자기장이 인가될 수 있다.

상기 자기장 인가부(400)의 작동에 기초하여, 제1자기열교환기(110)와 상기 제2자기열교환기(120)를 통해 가열된 열전달유체 또는 상기 제3자기열교환기(210)와 상기 제4자기열교환기(220)를 통해 가열된 열전달유체는 상기 온열교환기(810, 820)로 안내될 수 있다.

상기 온열교환기(810, 820)는 상기 제1자기열교환기(110)와상기 제2자기열교환기(120)에 의해 가열된 열전달유체가 안내되는 제1온열교환기(810, 도 2 참조), 및 상기 제3자기열교환기(210)와상기 제4자기열교환기(220)를 통해 가열된 열전달유체가 안내되는 제2온열교환기(820, 도 3 참조)를 포함할 수 있다.

상기 자기장 인가부의 작동에 기초하여, 제1자기열교환기(110)와 상기 제2자기열교환기(120) 또는 상기 제3자기열교환기(210)와 상기 제4자기열교환기(220)를 통해 냉각된 열전달유체는 상기 냉열교환기(830)로 안내될 수 있다.

한편, 상기 펌프(500)의 작동에 기초하여, 제1 내지 제4자기열교환기들(110, 120, 210, 220)을 입구단과 출구단의 위치가 결정될 수 있다.

즉, 상기 펌프(500)의 작동에 기초하여, 제1 내지 제4자기열교환기들(110, 120, 210, 220) 각각의 입구단 및 출구단이 서로 반대로 될 수 있다.

예를 들어, 도 2에서 펌프(500)의 작동에 의한 열전달유체의 유동 방향은 후술할 도 3에서 펌프(500)의 작동에 의한 열전달유체의 유동 방향과 반대가 될 수 있다. 따라서, 도 2 및 3에서 제1 내지 제4자기열교환기들(110, 120, 210, 220) 각각의 입구단 및 출구단은 서로 반대가 될 수 있다.

한편, 전술한 제1보조열교환기(610)는 상기 제1 내지 제4 자기열교환기(110, 120, 21, 220)와 상기 온열교환기(810, 820) 사이에 구비될 수 있다. 또한, 전술한 제2보조열교환기(620)는 냉열교환기(830)의 전단 및 후단에 각각 구비될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 제1보조열교환기(610)는 상기 제1자기열교환기(110) 및 상기 제2자기열교환기(120)와 상기 제1온열교환기(810) 사이, 및 상기 제3자기열교환기(210) 및 상기 제4자기열교환기(220)와 상기 제2온열교환기(820) 사이에 각각 구비될 수 있다.

또한, 상기 제2보조열교환기(620)는 상기 제1자기열교환기(110) 및 상기 제2자기열교환기(120)와 상기 냉열교환기(830) 사이, 및 상기 제3자기열교환기(210) 및 상기 제4자기열교환기(220)와 상기 냉열교환기(830) 사이에 각각 구비될 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여, 펌프(500)의 작동에 따른 열전달유체의 전체적인 흐름을 설명한다.

펌프(500) 내의 피스톤(520)이 실린더(510)의 길이방향 일측으로 움직이면, 자기장 인가부(400)는 제1 및 제2자기열교환기(110, 120)에 자기장을 인가하고, 제3 및 제4자기열교환기(210, 220)에는 자기장을 제거한다.

이때, 열전달유체는 제2온열교환기(820) 및 제1보조열교환기(610)를 순차적으로 경유하여, 제3 및 제4자기열교환기(210, 220)로 병렬로 안내될 수 있다. 상기 제3 및 제4자기열교환기(210, 220)를 통해 냉각된 열전달유체는 제2보조열교환기(620)를 경유하여, 냉열교환기(830)로 안내된다.

그리고, 상기 냉열교환기(830)를 통과한 열전달유체는 제2보조열교환기(620)를 경유하여, 제1 및 제2자기열교환기(110, 120)로 병렬로 안내된다. 상기 제1 및 제2자기열교환기(110, 120)를 통해 가열된 열전달유체는 제1보조열교환기(610) 및 제1온열교환기(810)를 순차적으로 경유하여 다시 펌프(500)로 안내될 수 있다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 자기 냉각 시스템의 제2상태를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 3은 펌프의 구동에의해 열전달유체가 자기 냉각 사이클을 도 2와 반대 방향으로 순환하는 모습을 나타낸다.

자기 냉각 시스템(10)의 전체 구성은 도 2에서 설명한 것과 동일하므로, 이하 차이점을 중심으로 설명한다.

도 3을 참조하면, 열전달유체의 순환 방향이 도 2와 반대로 됨에 따라서, 제 1 내지 제4자기열교환기들(110, 120, 210, 220) 각각의 입구단과 출구단이 도 2와 반대로 된다.

펌프(500) 내의 피스톤(520)이 실린더(510)의 길이방향 타측으로 움직이면, 자기장 인가부(400)는 제3 및 제4자기열교환기(210, 220)에 자기장을 인가하고, 제1 및 제2자기열교환기(110, 120)에는 자기장을 제거한다.

이때, 열전달유체는 제1온열교환기(810) 및 제1보조열교환기(610)를 순차적으로 경유하여 제1 및 제2자기열교환기(110, 120)로 병렬로 안내될 수 있다. 상기 제1 및 제2자기열교환기(110, 120)를 통해 냉각된 열전달유체는 제2보조열교환기(620)를 경유하여 냉열교환기(830)로 안내된다.

그리고, 상기 냉열교환기(830)를 통과한 열전달유체는 제2보조열교환기(620)를 경유하여 제3 및 제4자기열교환기(210, 220)로 병렬로 안내된다. 상기 제3 및 제4자기열교환기(210, 220)를 통해 가열된 열전달유체는 제1보조열교환기(610) 및 제2온열교환기(820)를 경유하여 다시 펌프(500)로 안내될 수 있다.

도 2 및 3을 통해 설명한 바와 같이, 열전달유체는 자기열교환기(110, 120, 210, 220)로 유입되기 전 및 자기열교환기(110, 120, 210, 220)를 통과한 후에 각각 보조열교환기(610, 620)에서 상변화물질과 열교환될 수 있다.

따라서, 열전달유체가 자기열교환기(110, 120, 210, 220)로 유입될 때, 열전달유체의 온도는 자기열량재료(300)의 큐리온도 근방의 온도가 될 수 있다. 또한, 보조열교환기(610. 620)는 자기열교환기(110, 120, 210, 220)를 통과한 열전달유체로부터 냉열 또는 온열을 전달받아서 재생될 수 있다. 즉, 보조열교환기(610. 620)는 자기열교환기(110, 120, 210, 220)를 통과한 열전달유체로부터 전달받은 냉열 또는 온열을 저장할 수 있다.

이하, 다른 도면을 참조하여, 전술한 자기열량재료의 큐리온도에 대하여 설명한다.

도 5는 자기열량재료의 온도에 따른 엔트로피 변화를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 5는 복수 개의 자기열량재료의 온도에 따른 엔트로피의 변화를 비교하여 나타내는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 도면부호 "910"은 제1자기열량재료(A)의 온도에 따른 엔트로피 변화를 나타내고, 도면부호 "920"은 제2자기열량재료(B)의 온도에 따른 엔트로피 변화를 나타내며, 도면부호 "930"은 제3자기열량재료(C)의 온도에 따른 엔트로피 변화를 나타낸다.

자기열량재료는 특정 온도에서 자기장 변화에 따른 온도변화가 극대화되고 상기 특정 온도를 벗어나면 자기장 변화에도 불구하고 온도변화가 거의 발생되지 않는다. 즉, 자기열량재료(또는 자성체)는 온도의 함수에 기초하여 그 물성이 변할 수 있다.

이러한 특정 온도는 큐리온도로 나타낼 수 있으며, 자기열량재료의 종류에 따라서 상기 큐리온도가 상이할 수 있다.

예를 들어, 제1자기열량재료(A)의 제1큐리온도(Tc_A)는 제2자기열량재료(B)의 제2큐리온도(Tc_B) 및 제3자기열량재료(C)의 제3큐리온도(Tc_C)보다 높을 수 있다.

또한, 제3자기열량재료(C)의 제3큐리온도(Tc_C)는 제2자기열량재료(B)의 제2큐리온도(Tc_B)보다 높을 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1자기열량재료(A), 제3자기열량재료(C) 및 제2자기열량재료(B)가 열전달유체의 유동방향을 따라서 순차적으로 또는 그 역순으로 배열될 수 있다.

이때, 열전달유체의 온도는 각각의 자기열량재료를 통과하는 과정에서 각각의 자기열량재료의 큐리온도에 근접한 온도로 바뀔 수 있다. 따라서, 각각의 자기열량재료의 엔트로피 변화량이 극대화될 수 있다. 즉, 각각의 자기열량재료의 흡열 또는 방열 효율이 극대화될 수 있다.

설명의 편의를 위하여 도 5에는 3가지의 자기열량재료에 대해서만 도시되어 있으나, 제1자기열량재료(A)와 제2자기열량재료(B) 사이에 큐리온도가 순차적으로 감소하는 서로 다른 종류의 복수 개의 제3자기열량재료(C)가 존재할 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

110 제1자기열교환기 120 제2자기열교환기
210 제3자기열교환기 220 제4자기열교환기
300 자기열량재료 400 자기장 인가부
500 펌프 610 제1보조열교환기
620 제2보조열교환기