KR101603886B1 - Magnetic refrigeration system using concentric halbach cylinders - Google Patents

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Abstract

동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템이 개시되어 있다. 본 발명은, 자기를 재생할 수 있는 제 1자기재생부 및 제 2자기재생부와, 상기 제 1 및 제 2자기재생부와 유로에 의해 연결되어 있는 저온부 열교환기 및 고온부 열교환기를 포함하는 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템에 있어서,
제 1자기재생부는 제 1내측원통형 자석, 상기 제 1내측원통형자석의 외측에 동심원형으로 배치되는 제 1외측원통형 자석, 상기 제 1내측원통형 자석 내부에 삽입되어 자기를 재생시키는 제 1자기냉매 베드를 구비하고, 제 2자기재생부는 제 2내측원통형 자석, 상기 제 2내측원통형자석의 외측에 동심원형으로 배치되는 제 2외측원통형 자석, 상기 제 2내측원통형 자석 내부에 삽입되어 자기를 재생시키는 제 2자기냉매 베드를 구비하며, 상기 제 1자기냉매 베드 또는 제 2자기냉매 베드로부터 이송되는 유체를 상기 고온부 열교환기에 선택적으로 공급하기 위하여 유로에 제 1삼방밸브가 설치되고, 상기 고온부 열교환기로부터 배출되는 유체를 상기 제 1자기냉매베드 또는 제 2자기냉매 베드로 선택적으로 공급하기 위하여 유로에 제 2삼방밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.A self-cooling system using a concentric cylindrical magnet is disclosed. The present invention relates to a magnetic bearing device comprising a first magnetic regeneration section and a second magnetic regeneration section capable of regenerating magnetism, a concentric cylindrical magnet including a low temperature heat exchanger and a high temperature heat exchanger connected to the first and second magnetic regeneration sections by a passage In the magnetic refrigeration system using the refrigerator,
The first magnetic regenerator includes a first inner cylindrical magnet, a first outer cylindrical magnet disposed in a concentric circle on the outer side of the first inner cylindrical magnet, a first magnetic refrigerant bed inserted in the first inner cylindrical magnet to reproduce magnetism, And the second magnetic regenerator includes a second inner cylindrical magnet, a second outer cylindrical magnet disposed in a concentric circle on the outer side of the second inner cylindrical magnet, a second outer cylindrical magnet mounted on the second inner cylindrical magnet, A first three-way valve is provided in the flow path for selectively supplying the fluid conveyed from the first magnetic refrigerant bed or the second magnetic refrigerant bed to the high temperature heat exchanger, and a second three-way valve is provided for discharging the fluid from the high temperature heat exchanger A second three-way valve is installed in the flow path for selectively supplying the fluid to the first magnetic refrigerant bed or the second magnetic refrigerant bed The features.

Description

동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템{MAGNETIC REFRIGERATION SYSTEM USING CONCENTRIC HALBACH CYLINDERS}[0001] MAGNETIC REFRIGERATION SYSTEM USING CONCENTRIC HALBACH CYLINDERS [0002]

본 발명은 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 저온부 열교환기와 하나의 고온부 열교환기를 구비하고 3방밸브를 이용하여 냉매의 흐름을 제어함으로써, 기존의 복잡한 열교환기의 배열을 간소화하였고 냉매의 흐름에 대한 정확도 및 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있도록 한 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic refrigeration system using concentric cylindrical magnets, and more particularly, to a refrigerator which includes a low-temperature heat exchanger and a high-temperature heat exchanger and controls the flow of refrigerant by using a three- To a magnetic refrigeration system using a concentric cylindrical magnet that simplifies the arrangement and greatly improves the accuracy and reliability of the refrigerant flow.

자기냉동(magnetic refrigeration)은 강자성 물질에 자기장을 가하면 자기모멘트가 자기장 방향으로 정렬되어 엔트로피가 작아지면서 주변 물질의 온도는 증가하고, 자기장을 제거하면 정렬된 자기모멘트가 흩어지면서 엔트로피가 높아지면서 주변 물질의 온도가 내려가는 자기열량효과(magnetocaloric effect)를 이용하여 프레온과 같은 가스냉매 대신에 고체냉매를 사용하고 모터 대신에 영구자석을 사용하여 에너지 절약적이고, 친환경적이며, 소음이 거의 없는 냉각기술이다. 증기압축식 냉동방식이 주류를 이루고 있는 현재의 공기조화냉동 분야에서 환경에 유해한 냉매를 사용하지 않는 자기냉동은 21세기에 꼭 필요한 냉동기술이라고 볼 수 있으며, 자기냉동기의 실용화야말로 자기냉동에 관한 연구의 궁극적인 연구목적이라고 할 수 있다. In magnetic refrigeration, when a magnetic field is applied to a ferromagnetic material, magnetic moments are aligned in the direction of the magnetic field, entropy becomes small, and the temperature of the surrounding material increases. When the magnetic field is removed, the aligned magnetic moments are scattered, Using a solid coolant instead of gas refrigerant such as Freon and using a permanent magnet instead of a motor by using the magnetocaloric effect of reducing the temperature of the refrigerant. In the current air-conditioning refrigeration field where vapor-compression refrigeration is the mainstream, self-refrigeration which does not use environmentally harmful refrigerant can be regarded as a necessary refrigerating technology in the 21st century. This is the ultimate goal of research.

자기냉동은 자성재료를 냉매로 사용하기 때문에 오존층 파괴 등의 문제를 발생시키지 않으며, 대체냉매인 HFC가 가지고 있는 지구 온난화의 문제도 일으키지 않으므로 인체나 환경에 무해하다는 점에서 친환경적인 냉동기술이라고 할 수 있다. 게다가 자기냉동기는 소형으로 만들 수 있는데, 이는 자성재료의 자기엔트로피 밀도가 기존의 냉매 가스의 그것보다 크기 때문이다. 실온 자기냉동이 현실화되기 위해서는 큰 자기열량효과를 가진 재료, 강한 자기장, 우수한 재생 및 열전달 등이 우선 연구개발 되어야 하는데 이와 같은 과제들이 해결되어 자기냉동의 비용을 더 낮추고 효율을 더 높일 수 있게 된다면 공기조화 및 냉동분야의 최대 관심사로 떠오를 수 있을 것이다.Since magnetic refrigeration uses magnetic material as a refrigerant, it does not cause problems such as ozone depletion, and it does not cause the problem of global warming, which is an alternative refrigerant, HFC. Therefore, it can be said that it is environment friendly refrigeration technology have. In addition, the magnetic refrigerator can be made compact because the magnetic entropy density of the magnetic material is larger than that of the conventional refrigerant gas. In order for room temperature self-cooling to be realized, materials with a large magnetocaloric effect, strong magnetic field, excellent regeneration and heat transfer should first be researched and developed. If these problems are solved and the cost of magnetic refrigeration can be lowered further, It will be the biggest concern in the field of harmonization and refrigeration.

상용화를 위해서는 영구자석배열의 개량도 중요한 연구 과제인데, 이는 자기장이 강할수록 냉각장치가 더 효율적이 되기 때문이다. 영구자석의 가격도 빼놓을 수 없는 해결과제이다.For commercialization, the improvement of the permanent magnet array is also an important research task because the stronger the magnetic field, the more efficient the cooling device. The price of permanent magnets is an inevitable challenge.

냉동 및 냉방 시장은 현재 증기압축(VC) 기술이 점유하고 있다. 새로운 냉동기술인 AMR기술을 기존의 경쟁기술과 비교하기 위한 특성으로는 규모, 원격 열교환기의 사용, 열전달유체로서 물의 사용, 이상적인 유체 냉각기로서의 작동, 작동온도의 변동, 배치의 변동, 환기가 불량한 폐쇄공간에서의 운전상 안전성, 효율, 환경적 위험성 등을 들 수 있다. AMR은 여러 가지 좋은 특성을 가지고 있기 때문에 최상의 시장 영역은 아직 존재하지 않는다. The refrigeration and cooling market is currently occupied by vapor compression (VC) technology. The characteristics of the new refrigeration technology, AMR technology, compared with existing competitive technologies include scale, use of remote heat exchangers, use of water as a heat transfer fluid, operation as an ideal fluid cooler, fluctuations in operating temperature, variations in placement, Operational safety, efficiency, and environmental risk in space. Because AMR has many good characteristics, the best market area still does not exist.

운전주파수를 높이고, 초전도자석 대신 영구자석을 이용하는 회전식 냉동장치인 제2세대 자기냉동기(Rotating Bed Magnetic Refrigerator, RBMR)는 제1세대인 왕복식 자기냉동기에 비해 훨씬 적은 자기재료로 더 큰 주파수에서 작동이 된다. 자기재료의 비용만으로 두 시스템을 비교한다면 왕복식의 5% 수준에 불과하다. 그러나 이 자기냉동기의 가장 큰 단점은 회전하는 자기 베드에서의 측정과 규모를 크게 할 때 밸브 및 파이프 연결에 어려움이 있다는 것이다.
A Rotating Bed Magnetic Refrigerator (RBMR), a rotary refrigerator that uses a permanent magnet instead of a superconducting magnet to increase the operating frequency, operates at a higher frequency with much less magnetic material than the first generation reciprocating magnetic refrigerator . If the two systems are compared only at the cost of the magnetic material, it is only 5% of the reciprocal. However, the biggest disadvantage of this freezer is the difficulty in valve and pipe connection when measuring and sizing in a rotating magnetic bed.

이런, 자기 냉동은 작동 방법에 따라 도 1에서 나타난 바와 같이, 왕복동형(a) 및 회전형(b)으로 나눌 수 있으며, 상기 왕복동형(a)은 간단한 구조이지만 작동 주파수 증가에 한계가 있으며, 회전형(b)은 작동 주파수 증가에는 이점이 있지만, 회전하는 시스템에 유동을 공급하는 것에 비교적 어렵다는 단점이 있다.As shown in FIG. 1, the self-cooling can be divided into a reciprocating type (a) and a rotating type (b), and the reciprocating type (a) is a simple structure, Rotary type (b) has the advantage of increasing the operating frequency, but has the disadvantage that it is relatively difficult to supply the flow to the rotating system.

상기 자기 냉동기의 작동방법을 왕복동형 시스템을 예를 들어 설명하면 도 2에 도시한 바와 같이, 자기 냉동기가 역브레이튼 사이클 (Reverse Brayton cycle)로서 작동한다면, 다음과 같이 4개의 과정으로 작동하게 된다.If the magnetic refrigerator operates as a Reverse Brayton cycle as shown in FIG. 2, the operation of the magnetic refrigerator will be described with reference to a reciprocating system.

먼저, 자기 재생기(21)가 자석(22)의 내부로 이동하면서 자성 냉매들은 자화되어 온도가 증가하게 된다, 다음으로 재생기(21)가 정지한 상태로 저온부에서부터 유동이 공급되어 재생 물질과의 열교환을 통해 재생물질의 온도가 감소한 후, 재생기(21)가 자석(22)의 외부로 이탈하면서 자성 냉매는 탈자화되어 온도가 더욱 감소하게 된다.First, when the magnetic regenerator 21 is moved to the inside of the magnet 22, the magnetic refrigerants are magnetized to increase the temperature. Next, a flow is supplied from the low temperature portion in a state where the regenerator 21 is stopped, The temperature of the regenerant is reduced through the regenerator 21, and the regenerator 21 is released to the outside of the magnet 22, so that the magnetic refrigerant is demagnetized and the temperature is further reduced.

마지막으로 고온부(23)에서 저온부(24)로 흐르는 유동이 재생기(21)와 열교환하여 유체의 온도가 낮아지게 된다. 이렇게 온도가 낮아진 유체가 저온부 열교환기(24)에서 외부로부터 열을 흡수하여 냉각효과를 얻을 수 있다.Finally, the flow from the high temperature section 23 to the low temperature section 24 exchanges heat with the regenerator 21, and the temperature of the fluid is lowered. The fluid having such a low temperature can absorb heat from the outside by the low-temperature heat exchanger (24) to obtain a cooling effect.

또한, 위와 같은 왕복동식 및 회전식과 다소 차이가 있는 복층형 영구자석 배열을 사용하는 방법이 있다.Further, there is a method of using a two-layer permanent magnet array which is somewhat different from the reciprocating or rotary type as described above.

먼저, 도 3과 같이 각기 다른 방향으로 자화된 영구자석(31,32) 조각을 적절히 배열하여 중심부분에서 강한 자기장을 얻을 수 있는 영구자석(31,32) 배열을 동심으로 설치하고, 두 자석 중 하나를 회전시켜 중심부분에서 자기장의 변화를 발생시킬 수 있는 시스템이다.First, as shown in Fig. 3, permanent magnets 31 and 32, which can obtain a strong magnetic field at the central portion, are arranged concentrically by appropriately arranging the pieces of the permanent magnets 31 and 32 magnetized in different directions, It is a system that can generate a change of the magnetic field in the central part by rotating one.

상기 두 배열에 의해 발생하는 자기장의 크기가 완전히 동일하다면, 도 3a와 같이 위치한 경우 중심 자장이 크기는 각 배열에서 발생하는 자장의 합과 같으며, 둘 중 하나의 자석이 180˚ 회전하여 도 3b와 같이 배열되면, 중심 자장이 0이 된다.If the magnitudes of the magnetic fields generated by the two arrays are exactly the same, the magnitude of the central magnetic field is the same as the sum of the magnetic fields generated in each array, as shown in FIG. 3A, , The central magnetic field becomes zero.

그러므로, 연속적인 회전에 의해서 최소 자장에서 최대 자장사이에서 사인파 형태의 자기장 변화를 얻을 수 있다. 즉, 이와 같은 자석을 사용하게 되면 시스템의 전체 형상이 왕복동형 자기 냉동시스템과 유사하게 되어 구조가 단순해지며, 모터의 회전운동을 왕복운동으로 변화시키는 과정이 불필요해져 회전형 시스템처럼 작동 주파수의 증가가 쉬워지는 장점이 있다.Therefore, it is possible to obtain a sinusoidal magnetic field change between the minimum magnetic field and the maximum magnetic field by continuous rotation. That is, when such a magnet is used, the overall shape of the system is similar to that of the reciprocating magnetic refrigeration system, simplifying the structure, and it is unnecessary to change the rotational motion of the motor into the reciprocating motion. There is an advantage that the increase is easy.

1. 대한민국 등록특허 제10-0737781호(2007.07.04)1. Korean Registered Patent No. 10-0737781 (2007.07.04) 2. 대한민국 등록특허 제10-0779197호(2007.11.19)2. Korean Patent No. 10-0779197 (November 19, 2007) 3. 대한민국 등록특허 제10-0647852호(2007.02.13)3. Korean Patent No. 10-0647852 (Feb. 13, 2007)

본 발명의 목적은 기존의 복잡한 열교환기의 배열을 간소화할 수 있도록 한 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a magnetic refrigeration system using concentric cylindrical magnets that can simplify the arrangement of existing complex heat exchangers.

본 발명의 다른 목적은 하나의 저온부 열교환기와 하나의 고온부 열교환기를 구비하고 3방밸브를 이용하여 냉매의 흐름을 제어함으로써, 냉매의 흐름에 대한 정확도 및 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있도록 한 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a centrifugal cylindrical magnet having one low-temperature heat exchanger and one high-temperature heat exchanger and using a three-way valve to control the flow of the refrigerant, thereby greatly improving the accuracy and reliability of the refrigerant flow And to provide a magnetic refrigeration system using the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템은, 자기를 재생할 수 있는 제 1자기재생부 및 제 2자기재생부와, 상기 제 1 및 제 2자기재생부와 유로에 의해 연결되어 있는 저온부 열교환기 및 고온부 열교환기를 포함하는 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템에 있어서,In order to achieve the above object, a magnetic refrigeration system using a concentric cylindrical magnet according to the present invention comprises: a first magnetic regeneration section and a second magnetic regeneration section capable of regenerating magnetism; And a high-temperature heat exchanger, wherein the low-temperature heat exchanger and the high-

제 1자기재생부는 제 1내측원통형 자석, 상기 제 1내측원통형자석의 외측에 동심원형으로 배치되는 제 1외측원통형 자석, 상기 제 1내측원통형 자석 내부에 삽입되어 자기를 재생시키는 제 1자기냉매 베드를 구비하고,The first magnetic regenerator includes a first inner cylindrical magnet, a first outer cylindrical magnet disposed in a concentric circle on the outer side of the first inner cylindrical magnet, a first magnetic refrigerant bed inserted in the first inner cylindrical magnet to reproduce magnetism, And,

제 2자기재생부는 제 2내측원통형 자석, 상기 제 2내측원통형자석의 외측에 동심원형으로 배치되는 제 2외측원통형 자석, 상기 제 2내측원통형 자석 내부에 삽입되어 자기를 재생시키는 제 2자기냉매 베드를 구비하며,The second magnetic regenerator includes a second inner cylindrical magnet, a second outer cylindrical magnet disposed concentrically on the outer side of the second inner cylindrical magnet, a second magnetic refrigerant bed inserted into the second inner cylindrical magnet to regenerate magnetism, And,

상기 제 1자기냉매 베드 또는 제 2자기냉매 베드로부터 이송되는 유체를 상기 고온부 열교환기에 선택적으로 공급하기 위하여 유로에 제 1삼방밸브가 설치되고,A first three-way valve is provided in the flow path for selectively supplying the fluid transferred from the first magnetic refrigerant bed or the second magnetic refrigerant bed to the high temperature heat exchanger,

상기 고온부 열교환기로부터 배출되는 유체를 상기 제 1자기냉매베드 또는 제 2자기냉매 베드로 선택적으로 공급하기 위하여 유로에 제 2삼방밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
And a second three-way valve is installed in the flow path for selectively supplying the fluid discharged from the high temperature heat exchanger to the first magnetic refrigerant bed or the second magnetic refrigerant bed.

상기 제 1자기냉매 베드의 일측과 제 2자기냉매 베드의 일측 사이에는 유로를 통해 저온부 열교환기가 연결되고, 상기 제 1자기냉매 베드의 타측과 제 2자기냉매 베드의 타측 사이에는 유로를 통해 제 1삼방밸브가 연결되고, 상기 제 1삼방밸브에는 고온부 열교환기의 입구측이 연결되며,A low temperature heat exchanger is connected through a flow path between one side of the first magnetic refrigerant bed and one side of the second magnetic refrigerant bed, and between the other side of the first magnetic refrigerant bed and the other side of the second magnetic refrigerant bed, Way valve is connected, the inlet side of the high-temperature heat exchanger is connected to the first three-way valve,

상기 고온부 열교환기의 출구측에는 펌프가 연결되고 상기 펌프에는 제 2삼방밸브가 연결되며, 상기 제 2삼방밸브의 일측은 유로를 통해 제 1자기냉매 베드와 연결되고, 타측은 유로를 통해 제 2자기냉매베드와 연결되는 것을 특징으로 한다.
Wherein a pump is connected to the outlet of the high temperature heat exchanger and a second three-way valve is connected to the pump, one side of the second three-way valve is connected to the first magnetic refrigerant bed through a flow passage, And is connected to the refrigerant bed.

상기 제 1 내측원통형 자석과 제 2내측원통형 자석은 서보모터와 타이밍벨트에 의해 회동가능하게 연결되고, 제 1외측원통형 자석과 제 2외측원통형 자석은 고정되어 설치되는 것을 특징으로 한다.
The first inner cylindrical magnet and the second inner cylindrical magnet are rotatably connected by a servo motor and a timing belt, and the first outer cylindrical magnet and the second outer cylindrical magnet are fixedly installed.

상기 저온부 열교환기 및 상기 고온부 열교환기는 각각 한 개씩만 설치되는 것을 특징으로 한다.And the low-temperature heat exchanger and the high-temperature heat exchanger are provided only one at a time.

본 발명에 따르면, 동심 원통형자석을 이용한 두 개의 자기냉매 베드와 두 쌍의 영구자석이 동심원형으로 배열됨으로써, 고온부 열교환기와 저온부 열교환기와의 열매체 이동관을 통해 Halbach배열로 구성된 동심 원통형자석으로부터 발생되는 자기장 세기의 변화에 따라 자기재생기에서 열 교환된 열매체를 간단한 순환기구의 방향조작에 의해 기존에 두 개 이상씩 설치되던 고온부 열교환기와는 달리, 고온부와 저온부 각각 한 개씩 설치된 열교환기로 열을 이송할 수 있기 때문에 보다 적은 설치공간으로 자기냉동시스템의 성능향상에 유용하게 활용될 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since two magnetic refrigerant beds using a concentric cylindrical magnet and two pairs of permanent magnets are concentrically arranged, a magnetic field generated from a concentric cylindrical magnet constituted by a Halbach arrangement through a heat medium moving tube between the high temperature heat exchanger and the low temperature heat exchanger Unlike the high-temperature heat exchanger, which has been installed at least two times by the operation of a simple circulation mechanism, the heat medium is heat-exchanged in the self-regenerator according to the change of the intensity, and heat can be transferred to the heat exchanger provided for each one of the high- Therefore, it is effective to improve the performance of the self-cooling system with a smaller installation space.

도 1은 종래의 왕복동형 및 회전형 자기 냉동기의 형상을 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래의 왕복동형 자기 재생식 냉동기의 작동 방식 예를 나타낸 개략도이다.
도 3은 종래의 복층형 영구자석 배열을 사용한 자기 냉동기를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 동심 원통형 자석을 이용한 자기 냉동시스템의 형상을 나타낸 단면 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 동심 원통형 자석을 이용한 자기 냉동시스템의 배치 및 작동방식을 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 동심 원통형 자석의 자기장 활성화를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing a shape of a conventional reciprocating and rotary type magnetic refrigerator.
2 is a schematic view showing an example of the operation of a conventional reciprocating self-regenerating refrigerator.
3 is a schematic view showing a magnetic refrigerator using a conventional double-layer permanent magnet array.
4 is a schematic cross-sectional view showing the shape of a magnetic refrigeration system using a concentric cylindrical magnet according to the present invention.
5A and 5B are diagrams showing the arrangement and operation of the magnetic refrigeration system using the concentric cylindrical magnet according to the present invention.
6A and 6B are schematic views showing the magnetic field activation of the concentric cylindrical magnet according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, a magnetic refrigeration system using a concentric cylindrical magnet according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 자기냉매 베드와 Halbach 배열의 영구자석 그리고 고온부 열교환기와 저온부 열교환기로 구성된다. 2개의 회전하는 영구자석은 자석의 관성모멘트를 최소화하고 관성력이 균형을 이루도록 배열된다. 고정된 베드의 최대 장점은 베드가 자석사이의 공간을 통해 회전하는 제2세대 냉동기(RBMR)에서보다 베드와 열교환기를 통하는 유체유동의 밸브와 타이밍이 쉽다는 점이다. 초기 시험에 사용된 자기냉매는 가돌리늄(Gd)으로써, 형태는 파우더, 리본, 스크랩이 있다.The present invention comprises a magnetic refrigerant bed, a permanent magnet having a Halbach arrangement, and a high-temperature heat exchanger and a low-temperature heat exchanger. The two rotating permanent magnets are arranged so that the moment of inertia of the magnet is minimized and the inertia force is balanced. The greatest advantage of a fixed bed is that it is easier to control the timing and flow of the fluid flow through the bed and the heat exchanger than with the second generation freezer (RBMR) where the bed rotates through the space between the magnets. The magnetic refrigerant used in the initial tests is gadolinium (Gd), which is in the form of powder, ribbon, and scrap.

또한, 본 발명은 두 쌍의 동심원형 Halbach 배열을 사용하였는데, 하나의 자기냉매 베드가 자화되면 동시에 다른 하나는 소자되도록 구성되었다. 자기냉매 베드가 고정되어 유체유동의 타이밍 제어 및 밸브 등 장치의 설치가 베드가 회전하는 시스템에 비해 간단하다. In addition, the present invention uses two pairs of concentric Halbach arrangements, wherein one magnetic refrigerant bed is configured to magnetize and the other one to be magnetized. The magnetic refrigerant bed is fixed so that the timing control of the fluid flow and the installation of the device such as the valve are simpler than the system in which the bed rotates.

본 발명은 고온부 열교환기와 저온부 열교환기를 각각 자기냉매 베드의 끝단에 유로관으로 연결하고 유로관을 통하여 흐르는 열전달매체는 삼방밸브를 통하여 흐름의 방향이 결정되도록 하여 기존의 복잡한 열교환기의 배열을 간소화하였다.
The present invention simplifies the arrangement of the existing complex heat exchanger by connecting the high-temperature heat exchanger and the low-temperature heat exchanger to the end of the magnetic refrigerant bed with the flow pipe and the heat transfer medium flowing through the flow pipe to determine the flow direction through the three- .

도 4 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동시스템은, 자기를 재생할 수 있는 제 1자기재생부(A) 및 제 2자기재생부(B)와, 상기 자기재생부(A,B)와 유로를 통해 연결되어 있는 저온부 열교환기(110) 및 고온부 열교환기(120)를 포함한다.
4 and 5A, a magnetic refrigeration system using a concentric cylindrical magnet according to the present invention includes a first magnetic regeneration section A and a second magnetic regeneration section B capable of regenerating magnetism, And a low temperature heat exchanger 110 and a high temperature heat exchanger 120 connected to the magnetic regeneration units A and B through a flow path.

상기 제 1자기재생부(A)와 제 2자기재생부(B)는 각각 동심원으로 배열된 한 쌍의 원통형 영구자석배열로 이루어진 동심 원통형 자석과, 두 개의 동심 원통형 자석 중심부에 각각 위치하는 두 개의 자기냉매 베드를 포함하고 있다.The first magnetic regeneration section A and the second magnetic regeneration section B are each composed of a concentric cylindrical magnet having a pair of cylindrical permanent magnet arrays arranged in a concentric circle and two concentric cylindrical magnets arranged respectively in two concentric cylindrical magnet centers And includes a magnetic refrigerant bed.

즉, 제 1자기재생부(A)는 제 1내측원통형 자석(130a), 상기 제 1내측원통형자석(130a)의 외측에 동심원형으로 배치되는 제 1외측원통형 자석(135a), 상기 제 1내측원통형 자석(130a) 내부에 삽입되어 자기를 재생시키는 제 1자기냉매 베드(140a)를 구비한다. That is, the first magnetic regeneration section A includes a first inner cylindrical magnet 130a, a first outer cylindrical magnet 135a disposed concentrically on the outer side of the first inner cylindrical magnet 130a, And a first magnetic refrigerant bed 140a inserted into the cylindrical magnet 130a to regenerate magnetism.

동일한 구조로, 제 2자기재생부(B)는 제 2내측원통형 자석(130b), 상기 제 2내측원통형자석(130b)의 외측에 동심원형으로 배치되는 제 2외측원통형 자석(135b), 상기 제 2내측원통형 자석(130b) 내부에 삽입되어 자기를 재생시키는 제 2자기냉매 베드(140b)를 구비한다. The second magnetic regeneration section B includes a second inner cylindrical magnet 130b, a second outer cylindrical magnet 135b disposed concentrically on the outer side of the second inner cylindrical magnet 130b, And a second magnetic refrigerant bed 140b inserted into the inner cylindrical magnet 130b to regenerate magnetism.

상기 제 1자기재생부(A)와 제 2자기재생부(B)에 있어서, 제 1 및 제 2내측원통형 자석(130a, 130b)는 서보모터(미도시)에 의해 회전할 수 있고, 제 1 및 제 2외측원통형 자석(135a, 135b)은 고정된 상태로 제공된다. 따라서, 상기 제 1 및 제 2내측원통형 자석의 회전에 의해 자기장의 방향이 일치 또는 상반됨을 통해 자기장이 최대가 되거나 최소가 되는 것이다.In the first magnetic regeneration section A and the second magnetic regeneration section B, the first and second inner cylindrical magnets 130a and 130b can be rotated by a servo motor (not shown) And the second outer cylindrical magnets 135a and 135b are provided in a fixed state. Accordingly, the magnetic field is maximized or minimized through the rotation of the first and second inner cylindrical magnets such that the directions of the magnetic fields coincide or are opposite to each other.

또한, 상기 제 1 및 제 2자기냉매 베드(140a, 140b)에는 가돌리늄(Gd)과 같은 자기열량효과를 가지는 고체물질(자성냉매)이 충진되어 있다.
In addition, the first and second magnetic refrigerant beds 140a and 140b are filled with a solid material (magnetic refrigerant) having a magnetic calorific effect such as gadolinium (Gd).

보다 구체적으로 살펴보면, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2외측원통형 자석(135a, 135b)은 볼트 등에 의해 플레이트에 고정되어 있고, 제 1 및 제 2내측원통형 자석(130a, 130b)은 베어링에 의해 회전가능하게 설치된다.5A and 5B, the first and second outer cylindrical magnets 135a and 135b are fixed to the plate by bolts or the like, and the first and second inner cylindrical magnets 130a, 130b are rotatably mounted by bearings.

이때, 제 1 및 제 2내측원통형 자석(130a, 130b)은 서보모터와 타이밍벨트에 의해 연결되어서, 제어부의 제어를 통해 적절한 시기에 회전될 수 있는 것이다.
At this time, the first and second inner cylindrical magnets 130a and 130b are connected by the servo motor and the timing belt, and can be rotated at an appropriate time through the control of the control unit.

또한, 상기 제 1자기냉매 베드(140a)의 일측과 제 2자기냉매 베드(140b)의 일측 사이에는 유로를 통해 저온부 열교환기(110)가 연결되어 외부에 냉열을 공급하고, 상기 제 1자기냉매 베드(140a)의 타측과 제 2자기냉매 베드(140b)의 타측 사이에는 유로를 통해 제 1삼방밸브(150)가 연결되고, 상기 제 1삼방밸브(150)에는 고온부 열교환기(120)의 입구측이 연결된다.The low temperature heat exchanger 110 is connected between one side of the first magnetic refrigerant bed 140a and one side of the second magnetic refrigerant bed 140b to supply the outside with cold heat, The first three-way valve 150 is connected to the other side of the bed 140a and the other side of the second magnetic refrigerant bed 140b through a flow passage. The first three-way valve 150 is connected to the inlet of the high temperature heat exchanger 120 Respectively.

이때, 상기 고온부 열교환기(120)의 출구측에는 펌프(151)가 연결되고 상기 펌프(151)에는 제 2삼방밸브(155)가 연결된다. At this time, a pump 151 is connected to the outlet of the high temperature heat exchanger 120, and a second three-way valve 155 is connected to the pump 151.

또한, 상기 제 2삼방밸브(155)의 일측은 유로를 통해 제 1자기냉매 베드(140a)와 연결되고, 타측은 유로를 통해 제 2자기냉매베드(140b)와 연결된다.
One side of the second three-way valve 155 is connected to the first magnetic refrigerant bed 140a through a flow path, and the other side is connected to the second magnetic refrigerant bed 140b through a flow path.

상기 제 1삼방밸브(150)와 제 2삼방밸브(155)는 유로를 통해 연결되어 있어서, 제어부의 제어에 의해 유체의 흐름을 개방 또는 폐쇄할 수 있는 것이다.
The first three-way valve 150 and the second three-way valve 155 are connected to each other through a flow path so that the flow of the fluid can be opened or closed under the control of the control unit.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템의 작동에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the operation of the magnetic refrigeration system using the concentric cylindrical magnet according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5a, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 제 1자기재생부(A)는 제 1내측원통형 자석(130a)과 제 1외측원통형 자석(135a)의 자기장의 방향이 일치하여 자기장의 세기가 최대가 되는 상태이며, 그러한 자기장의 세기는 제 1자기냉매 베드(140a)에 전달되어 온도가 올라가게 되는 것이다. As shown in FIGS. 5A, 6A and 6B, the first magnetic regeneration section A coincides with the magnetic field directions of the first inner cylindrical magnet 130a and the first outer cylindrical magnet 135a, And the intensity of the magnetic field is transmitted to the first magnetic refrigerant bed 140a to raise the temperature.

반대로, 제 2자기재생부(B)는 제 2내측원통형 자석(130b)와 제 2외측원통형 자석(135b)의 자기장의 방향이 서로 상반되어 자기장의 세기가 0가 되는 상태이며, 그러한 자기장의 세기는 제 2자기냉매 베드(140b)에 전달되어 온도가 내려가게 되는 것이다. On the other hand, the second magnetic regeneration section B is a state in which the directions of the magnetic fields of the second inner cylindrical magnet 130b and the second outer cylindrical magnet 135b are opposite to each other and the magnetic field strength is 0, Is transmitted to the second magnetic refrigerant bed 140b and the temperature is lowered.

이런 상태에서 열매체의 흐름(도 5a)을 살펴보면, 펌프(151)에 의해 고온부 열교환기(120)의 출구로부터 이동한 유체는 제 2삼방밸브(155)에 의해 분기되어 유로(T1)를 경유하여 제 2자기재생부(B)의 제 2자기냉매 베드(140b)로 이동한다. 이때, 제 2삼방밸브(155)의 제 1자기냉매 베드(140a)와 연결된 유로는 폐쇄되고, 제 1삼방밸브(150)의 제 2자기냉매 베드(140b)와 연결된 유로도 폐쇄된다.5A), the fluid that has been moved from the outlet of the high-temperature heat exchanger 120 by the pump 151 is branched by the second three-way valve 155 to flow through the flow path T1 And moves to the second magnetic refrigerant bed 140b of the second magnetic regeneration portion B. At this time, the flow path connected to the first magnetic refrigerant bed 140a of the second three-way valve 155 is closed, and the flow path connected to the second magnetic refrigerant bed 140b of the first three-way valve 150 is also closed.

따라서, 유체는 제 2자기냉매 베드(140b)로 이동하여, 제 2자기재생부(B)를 통과하면서 자기장의 세기가 O가 됨으로써 온도가 내려가게 된다.Accordingly, the fluid moves to the second magnetic refrigerant bed 140b, passes through the second magnetic regeneration unit B, and the temperature of the fluid is decreased by the intensity of the magnetic field being O. FIG.

온도가 내려가 냉각된 유체는 유로(T2, T5)를 경유하여 저온부 열교환기(110)로 이동하게 된 후에, 열교환에 의해 외부 공기를 차갑게 하거나 냉각시키게 되는 것이다.The cooled fluid moves to the low temperature heat exchanger 110 via the flow paths T2 and T5, and then the external air is cooled or cooled by heat exchange.

이렇게 저온부 열교환기(110)에서 열교환을 마친 유체는 유로(T6, T3)를 경유하여 제 1자기재생부(A)의 제 1자기냉매 베드(140a)로 이동하게 된다. 이동된 유체는 제 1자가재생부(A)를 통과하면서 자기장의 세기가 최대가 됨으로써 온도가 고온으로 올라가게 된다.The heat-exchanged fluid in the low temperature heat exchanger 110 is transferred to the first magnetic refrigerant bed 140a of the first magnetic regeneration section A via the flow paths T6 and T3. The moved fluid passes through the regeneration section (A) of the first self, and the intensity of the magnetic field is maximized, so that the temperature rises to a high temperature.

온도가 올라간 유체는 유로(T4)를 경유하여 제 1삼방밸브(150)를 통해 분기되어 유로(T7)을 경유하여 고온부 열교환기(120)로 이동한다. 이때 유체는 제 2삼방밸브(155)의 제 1자기재생부(A)쪽이 폐쇄됨으로 인해, 유로(T4)쪽으로는 이동되지 않는다.
The fluid whose temperature has risen is diverted through the first three-way valve 150 via the flow path T4 and flows to the high-temperature heat exchanger 120 via the flow path T7. At this time, the fluid is not moved toward the flow path T4 because the first magnetic regeneration portion A of the second three-way valve 155 is closed.

이와 반대로, 제 1내측원통형 자석(130a)과 제 2내측원통형 자석(130b)을 스템모터(미도시)와 타이밍벨트(미도시)에 의해 동일한 방향으로 일정각도만큼 회전시키게 되면, 제 1자기재생부(A)와 제 2자기재생부(B)의 자기장의 방향이 반대로 형성되어, 제 1자기재생부(A)의 자기장의 세기는 O가 되고 제 2자기재생부(B)의 자기장의 세기는 최대가 된다.Conversely, if the first inner cylindrical magnet 130a and the second inner cylindrical magnet 130b are rotated by a certain angle in the same direction by a stem motor (not shown) and a timing belt (not shown) The direction of the magnetic field of the second magnetic regeneration section B is reversed so that the intensity of the magnetic field of the first magnetic regeneration section A becomes 0 and the intensity of the magnetic field of the second magnetic regeneration section B Becomes the maximum.

따라서, 상기 제 1자기재생부(A)의 자기장의 세기는 제 1자기냉매 베드(140a)에 전달되어 온도가 내려가게 되고, 반대로 제 2자기재생부(B)의 자기장의 세기는 제 2자기냉매 베드(140b)에 전달되어 온도가 올라가게 되는 것이다. Therefore, the intensity of the magnetic field of the first magnetic regeneration section A is transmitted to the first magnetic refrigerant bed 140a to lower the temperature. Conversely, the intensity of the magnetic field of the second magnetic regeneration section B And is transferred to the refrigerant bed 140b to raise the temperature.

이런 상태에서 열매체의 흐름(도 5b)을 살펴보면, 펌프(151)에 의해 고온부 열교환기(120)의 출구로부터 이동한 유체는 제 2삼방밸브(155)에 의해 분기되어 유로(T4)를 경유하여 제 1자기재생부(A)의 제 1자기냉매 베드(140a)로 이동한다. 이때, 제 2삼방밸브(155)의 제 2자기냉매 베드(140b)와 연결된 유로는 폐쇄되고, 제 1삼방밸브(150)의 제 1자기냉매 베드(140a)와 연결된 유로도 폐쇄된다.5B), the fluid that has been moved from the outlet of the high-temperature heat exchanger 120 by the pump 151 is diverted by the second three-way valve 155 and flows through the flow path T4 And moves to the first magnetic refrigerant bed 140a of the first magnetic regeneration portion A. At this time, the flow path connected to the second magnetic refrigerant bed 140b of the second three-way valve 155 is closed, and the flow path connected to the first magnetic refrigerant bed 140a of the first three-way valve 150 is also closed.

따라서, 유체는 제 1자기냉매 베드(140a)로 이동하여, 제 1자기재생부(A)를 통과하면서 자기장의 세기가 0가 됨으로써 온도가 내려가게 된다.Accordingly, the fluid moves to the first magnetic refrigerant bed 140a, passes through the first magnetic regeneration section A, and the magnetic field strength is reduced to zero, thereby lowering the temperature.

온도가 내려가 냉각된 유체는 유로(T3, T6)를 경유하여 저온부 열교환기(110)로 이동하게 된 후에, 열교환에 의해 외부 공기를 차갑게 하거나 냉각시키게 되는 것이다.The cooled fluid moves to the low temperature heat exchanger 110 via the flow paths T3 and T6, and then the external air is cooled or cooled by heat exchange.

이렇게 저온부 열교환기(110)에서 열교환을 마친 유체는 유로(T5, T2)를 경유하여 제 2자기재생부(B)의 제 2자기냉매 베드(140b)로 이동하게 된다. 이동된 유체는 제 2자가재생부(B)를 통과하면서 자기장의 세기가 최대가 됨으로써 온도가 고온으로 올라가게 된다.The heat-exchanged fluid in the low temperature heat exchanger 110 is transferred to the second magnetic refrigerant bed 140b of the second magnetic regeneration unit B via the flow paths T5 and T2. As the second fluid passes through the regeneration section (B), the fluid moves to the high temperature by maximizing the intensity of the magnetic field.

온도가 올라간 유체는 유로(T1)를 경유하여 제 1삼방밸브(150)를 통해 분기되어 유로(T7)을 경유하여 고온부 열교환기(120)로 이동한다. 이때 유체는 제 2삼방밸브(155)의 제 2자기재생부(B)쪽이 폐쇄됨으로 인해, 유로(T1) 쪽으로는 이동되지 않는다.
The fluid whose temperature has risen is diverted through the first three-way valve 150 via the flow path T1 and is transferred to the high temperature heat exchanger 120 via the flow path T7. At this time, the fluid is not moved toward the flow path T1 because the second magnetic regeneration portion B side of the second three-way valve 155 is closed.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.It will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be embodied in other specific forms without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It is obvious to them. Therefore, the above-described embodiments are to be considered as illustrative rather than restrictive, and the present invention is not limited to the above description, but may be modified within the scope of the appended claims and equivalents thereof.

A: 제 1자기재생부 B: 제 2자기재생부
110: 저온부 열교환기 120: 고온부 열교환기
130a: 제 1내측원통형 자석 130b: 제 2내측원통형 자석
135a: 제 1외측원통형 자석 135b: 제 2외측원통형 자석
140a: 제 1자기냉매 베드 140b: 제 2자기냉매 베드
150: 제 1삼방밸브 151: 펌프
155: 제 2삼방밸브A: first magnetic reproducing section B: second magnetic reproducing section
110: low temperature heat exchanger 120: high temperature heat exchanger
130a: first inner cylindrical magnet 130b: second inner cylindrical magnet
135a: first outer cylindrical magnet 135b: second outer cylindrical magnet
140a: first magnetic refrigerant bed 140b: second magnetic refrigerant bed
150: first three-way valve 151: pump
155: second three-way valve

Claims (4)

자기를 재생할 수 있는 제 1자기재생부 및 제 2자기재생부와, 상기 제 1 및 제 2자기재생부와 유로에 의해 연결되어 있는 저온부 열교환기 및 고온부 열교환기를 포함하는 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템에 있어서,
제 1자기재생부는 제 1내측원통형 자석, 상기 제 1내측원통형자석의 외측에 동심원형으로 배치되는 제 1외측원통형 자석, 상기 제 1내측원통형 자석 내부에 삽입되어 자기를 재생시키는 제 1자기냉매 베드를 구비하고,
제 2자기재생부는 제 2내측원통형 자석, 상기 제 2내측원통형자석의 외측에 동심원형으로 배치되는 제 2외측원통형 자석, 상기 제 2내측원통형 자석 내부에 삽입되어 자기를 재생시키는 제 2자기냉매 베드를 구비하며,
상기 제 1자기냉매 베드의 일측과 제 2자기냉매 베드의 일측 사이에는 유로를 통해 저온부 열교환기가 연결되고, 상기 제 1자기냉매 베드의 타측과 제 2자기냉매 베드의 타측 사이에는 유로를 통해 제 1삼방밸브가 연결되고, 상기 제 1삼방밸브에는 고온부 열교환기의 입구측이 연결되며,
상기 고온부 열교환기의 출구측에는 펌프가 연결되고 상기 펌프에는 제 2삼방밸브가 연결되며, 상기 제 2삼방밸브의 일측은 유로를 통해 제 1자기냉매 베드와 연결되고, 타측은 유로를 통해 제 2자기냉매베드와 연결된
동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템.A first magnetic regeneration section and a second magnetic regeneration section capable of regenerating magnetism, a magnetism freezing section using a concentric cylindrical magnet including a low temperature section heat exchanger and a high temperature section heat exchanger connected by the flow path to the first and second magnetic regeneration section In the system,
The first magnetic regenerator includes a first inner cylindrical magnet, a first outer cylindrical magnet disposed in a concentric circle on the outer side of the first inner cylindrical magnet, a first magnetic refrigerant bed inserted in the first inner cylindrical magnet to reproduce magnetism, And,
The second magnetic regenerator includes a second inner cylindrical magnet, a second outer cylindrical magnet disposed concentrically on the outer side of the second inner cylindrical magnet, a second magnetic refrigerant bed inserted into the second inner cylindrical magnet to regenerate magnetism, And,
A low temperature heat exchanger is connected through a flow path between one side of the first magnetic refrigerant bed and one side of the second magnetic refrigerant bed, and between the other side of the first magnetic refrigerant bed and the other side of the second magnetic refrigerant bed, Way valve is connected, the inlet side of the high-temperature heat exchanger is connected to the first three-way valve,
Wherein a pump is connected to the outlet of the high temperature heat exchanger and a second three-way valve is connected to the pump, one side of the second three-way valve is connected to the first magnetic refrigerant bed through a flow passage, Connected to a refrigerant bed
Self - cooling system using concentric cylindrical magnet. 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 제 1 내측원통형 자석과 제 2내측원통형 자석은 서보모터와 타이밍벨트에 의해 회동가능하게 연결되고, 제 1외측원통형 자석과 제 2외측원통형 자석은 고정되어 설치되는 것을 특징으로 하는 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the first inner cylindrical magnet and the second inner cylindrical magnet are rotatably connected by a servo motor and a timing belt, and the first outer cylindrical magnet and the second outer cylindrical magnet are fixedly installed. Self - cooling system using. 제 1항에 있어서,
상기 저온부 열교환기 및 상기 고온부 열교환기는 각각 한 개씩만 설치되는 것을 특징으로 하는 동심 원통형 자석을 이용한 자기냉동 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the low-temperature heat exchanger and the high-temperature heat exchanger are provided only one at a time.
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