KR100459198B1 - 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉난방장치에 관한 것으로써, 통상적인 냉매를 사용하지 않고 수소와 수소 저장합금간의 상관 관계를 이용하여 실외기가 필요없으며, 압축기의 성능을 향상시킬 수 있는 냉난방장치를 제공하고자 한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와; 외기를 강제 흡입시켜 각 반응기를 통해 열교환시킨 후 실내 및 실외로 강제 송풍시키는 송풍팬과; 상기 각 반응기와 연결된 수소 유로관과; 상기 수소 유로관 내의 수소를 강제 압송하도록 압송력을 발생시키는 한 쌍의 압축기와; 상기 압축기 사이에 배치된 중간 냉각유니트와; 수소의 압송 방향을 제어하는 유로제어밸브와; 상기 각 압축기의 일측에 설치되고, 서로 다른 수소 흡수 능력을 갖는 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 제 1,2보조반응기와; 상기 제 1,2보조반응기 간에 수소가 이동하는 통로를 이루는 보조 수소유로관과; 어느 한 압축기에서 발생한 열을 제 1보조반응기 쪽으로 송풍시키는 제 1보조송풍팬 및; 제 2보조반응기를 통해 다른 한 압축기로 공기를 송풍시키는 제 2보조송풍팬을 포함하여 구성된 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 제공한다.

Description

수소 저장합금을 이용한 냉난방장치{Cooling and Heating Device Using Hydrogen Storage Alloys}

본 발명은 냉난방장치에 관한 것으로, 특히 수소와 수소 저장합금간의 반응에 따른 흡열 혹은, 발열의 상관 관계를 이용하여 주변 공기를 냉각 혹은, 가열시킴으로써 냉기 혹은, 온기를 생성하여 실외기가 필요없는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치에 관한 것이다.

일반적으로 수소 저장합금(Hydrogen Storage Alloy)은 수소가 흡착될 경우 발열반응을 일으키고, 수소가 방출될 경우 흡열반응을 일으키는 특성을 지님과 더불어 수소를 저장할 수 있는 용량이 크다는 특성을 이용하여 히트 펌프(heat pump)나 수소 저장기기(hydrogen storage devices) 등의 응용분야에 사용이 가능한 것으로 알려졌다.

그러나, 종래에는 전술한 수소 저장합금을 이용하여 냉난방장치를 구현할 수 있다는 것은 단순히 개념적으로만 제시되었을 뿐 상기한 수소 저장합금의 특성을 고려하여 구체적인 시스템의 구현은 이루어진 바가 없다.

특히, 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 구현하기 위해서는 상기 냉난방장치의 효율이 기존 냉매를 사용하는 냉난방장치의 효율과 적어도 같아야 함에도 불구하고, 그에 따른 각종 구성 요소의 상관 관계나 배치에 대한 연구가 전혀 이루어지지 않았기에 실용화되지는 못하고 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 통상의 냉난방 기능을 수행하는 냉난방장치에 수소 저장합금을 이용한 기술을 적용하여 전체적인 시스템의 단순화가 이루어질 수 있도록 한 냉난방장치를 제공하고자 한 것이다.

특히, 본 발명은 냉난방장치의 수소 냉매를 펌핑하는 압축기를 다단으로 구성하고, 어느 한 압축기에서 발생하는 폐열을 이용하여 다른 압축기를 냉각시켜줌으로써 압축기의 성능을 향상시킬 수 있는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 냉난방장치의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 구성도

도 2는 도 1의 냉난방장치의 사이클이 전환된 상태를 나타낸 구성도

도 3과 도 4는 도 1의 냉난방장치의 보조반응기의 작동을 설명하는 구성도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 15 : 제 1,2반응기 20 : 수소 유로관

30, 35 : 송풍팬 40, 45 : 제 1,2압축기

50 : 유로제어밸브 51 : 연결관로

60 : 인터쿨러 65 : 냉각팬

71, 72 : 제 1,2보조반응기 73 : 보조 수소유로관

74 : 밸브 75, 76 : 제 1,2보조송풍팬

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 내부에 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와; 외부의 공기를 강제 흡입시켜 각 반응기를 통해 열교환시킨 후 실내 및 실외로 강제 송풍시키는 송풍팬과; 상기 각 반응기와 연결되고, 수소가 유동하는 수소 유로관과; 상기 수소 유로관에 연결되어 상기 수소 유로관 내의 수소를 강제 압송하도록 여러 단계에 걸쳐 압송력을 발생시키는 직렬로 연결된 한 쌍의 압축기와; 상기 압축기 사이에 배치되어 각 압축기로부터 토출된 수소를 냉각시키는 1개 이상의 중간 냉각유니트와; 상기 수소 유로관에 설치되어 수소의 압송 방향을 제어하는 유로제어밸브와; 상기 각 압축기의 일측에 설치되고, 서로 다른 수소 흡수 능력을 갖는 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 제 1,2보조반응기와; 상기 제 1,2보조반응기 간에 수소가 이동하는 통로를 이루도록 각 보조반응기를 연결하는 보조 수소유로관과; 상기 제 1보조반응기의 일측에 설치되어 어느 한 압축기에서 발생한 열을 제 1보조반응기 쪽으로 송풍시키는 제 1보조송풍팬 및; 상기 제 2보조반응기의 일측에 설치되어 제 2보조반응기를 통해 다른 한 압축기로 공기를 송풍시키는 제 2보조송풍팬을 포함하여 구성된 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 제공한다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 수소 저장합금을이용한 냉난방장치의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1과 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치는 크게 한 쌍의 반응기(10, 15)와, 수소 유로관(20)과, 제 1압축기(40) 및 제 2압축기(45)와, 인터쿨러(60) 및 냉각팬(65)과, 한 쌍의 보조반응기(71, 72)와, 송풍팬(30, 35) 및, 유로제어밸브(50)를 포함하여 구성된다.

도면에 구체적으로 도시하지는 않았으나, 상기 제 1,2반응기(10, 15)는 수소 저장합금이 충전되어 이루어진 용기와, 상기 용기에 접촉되어 외기와의 열교환 면적을 확장시키도록 한 열교환핀으로 이루어져, 상기 송풍팬(30, 35)에 의해 흡입되는 외부 공기와 열교환을 수행한다.

이와 같은 각 반응기(10, 15)는 수소의 유입이 이루어질 경우 발열 반응을 수행하여 주변 공기를 가열하고, 수소의 방출이 이루어질 경우 흡열 반응을 수행하여 주변 공기를 냉각하는 열교환기로서의 역할을 수행한다.

그리고, 상기 수소 유로관(20)은 양 단이 각 반응기(10, 15)와 각각 연결되도록 구성되며, 상기 어느 하나의 반응기(이하, “제1반응기”라 한다)(10)로부터 다른 하나의 반응기(이하, “제2반응기”라 한다)(15)로의 수소 유동을 안내하는 역할을 한다.

그리고, 상기 송풍팬(30, 35)은 외부의 공기를 강제 흡입하여 흡입된 공기가 상기 각 반응기(10, 15)를 통과하며 열교환되도록 한 다음 실내 혹은 실외로 배출될 수 있도록 강제 송풍하는 역할을 수행한다.

또한, 상기 제 1,2압축기(40, 45)는 상기 수소 유로관(20)의 관로 상에 직렬로 설치되어, 수소 냉매를 2단에 걸쳐 압축하여 토출함으로써 수소 유로관(20) 내에 수소 압송력을 발생시킨다.

상기 제 1압축기(40)와 제 2압축기(45) 사이에는 제 1압축기(40)로부터 토출된 수소 냉매를 냉각시키는 중간 냉각기의 역할을 하는 인터쿨러(60) 및 냉각팬(65)이 설치된다.

그리고, 상기 제 1압축기(40)와 제 2압축기(45)의 일측에는 한 쌍의 보조반응기(71, 72)들이 배치되는데, 이 보조반응기(71, 72)들은 보조 수소유로관(73)에 의해 서로 연결되며, 상기 보조 수소유로관(73)에는 어느 한 보조반응기(71, 72)로부터 다른 한 보조반응기(72, 71)로의 수소 이동을 제한하는 밸브(74)가 설치되어 있다. 이해를 돕기 위해 제 1압축기(40) 쪽에 배치된 보조반응기를 제 1보조반응기(71)라 하고, 제 2압축기(45) 쪽에 배치된 보조반응기를 제 2보조반응기(72)라 하여 설명한다.

상기 제 1,2보조반응기(71, 72)는 서로 다른 종류의 수소 저장합금이 충전된 이종합금체로 되어 있는데, 여기서 제 1보조반응기(71)에 충전된 수소 저장합금은 제 2보조반응기(72)에 충전된 수소 저장합금보다 수소 흡수 능력이 더 큰 성질을 갖는다.

또한, 상기 제 1보조반응기(71)의 일측에는 제 1압축기(40) 쪽에서 제 1보조반응기(71) 쪽으로 공기를 송풍시키는 제 1보조송풍팬(75)이 설치되고, 제 2보조반응기(72)의 일측에는 제 2보조반응기(72) 쪽에서 제 2압축기(45) 쪽으로 공기를 송풍시키는 제 2보조송풍팬(76)이 설치된다.

한편, 상기 유로제어밸브(50)는 전기적으로 작동하며 유로를 전환하는 일종의 4웨이(4-way) 솔레노이드밸브로 상기 수소 유로관(20)내를 유동하는 수소의 유동방향을 결정하는 역할을 하게 된다.

상기 유로제어밸브(50)의 구성에 대해 좀더 구체적으로 설명하면, 유로제어밸브(50)는 4개의 포트(port)를 구비하며, 각 포트들은 상기 수소 유로관(20)을 매개로 하여 제 1,2반응기(10, 15)와, 제 1압축기(40)의 입력포트 및, 제 2압축기(45)의 출력포트에 각각 연결되고, 유로제어밸브(50)의 내부에는 콘트롤러(미도시)의 전기 신호에 의해 변환되면서 각 포트 간의 연결을 제어하는 연결관로(51)가 구비된다.

한편, 도면에 도시하지는 않았으나 상기 반응기(10, 15) 사이의 공간에는 각 반응기(10, 15)를 통과한 열교환된 공기를 실내와 연통되는 배기유로 및 실외와 연통되는 배기유로로 교대로 분리하여 안내하는 공기유로 안내장치가 구비되어 있다.

상기와 같이 구성된 냉난방장치는 다음과 같이 작동한다.

먼저, 도 1에 도시된 것과 같이, 상기 유로제어밸브(50)의 연결관로(51)가 제 1반응기(10)와 연결된 포트 및 제 1압축기(40)의 입력포트와 연결된 포트를 연결하고 있는 상태일 경우, 냉난방장치는 제 1반응기(10)→유로제어밸브(50)→제 1압축기(40)→제 2압축기(45)→유로제어밸브(50)→제 2반응기(15)로 이어지는 수소 이동 경로를 갖게 된다.

이와 같은 상태에서, 냉난방장치의 콘트롤러(미도시)의 제어에 의해 제 1,2압축기(40, 45)가 구동되면 수소 유로관(20)의 내부는 상기 제 1,2압축기(40, 45)의 작동에 따라 수소를 압송하는 압송력이 발생하게 된다.

따라서, 상기 제 1반응기(10) 내의 수소는 유로제어밸브(50)의 연결관로(51)를 지나 제 1압축기(40)로 유입되고, 이 제 1압축기(40)를 통해 토출된 수소 냉매는 인터쿨러(60)를 지나면서 냉각팬(65)의 작용에 의해 어느 정도 냉각된 후, 제 2압축기(45)로 유입되고, 다시 제 2압축기(45)에 의해 압축되어 유로제어밸브(50) 쪽으로 토출되어 제 2반응기(15)로 안내된다.

이에 따라, 수소가 방출되는 제 1반응기(10)는 흡열반응을 하게 되어 주위의 공기를 냉각시키게 되고, 반대로 수소가 유입되는 제 2반응기(15)는 발열반응을 하게 되어 주위의 공기를 가열시키게 된다.

이와 동시에 각 송풍팬(30, 35)이 작동하여 외부의 공기가 유입되며 제 1,2반응기(10, 15)와 열교환을 일으키게 되는데, 제 1반응기(10) 쪽으로 흡입된 외기는 냉각된 후 실내와 연통된 배기유로(미도시)를 통해 실내로 배출되어 실내를 냉방시키고, 제 2반응기(15) 쪽으로 흡입된 외기는 가열된 후 실외와 연통된 배기유로(미도시)를 통해 실외로 배출된다.

이와 같이 냉방운전을 수행하는 도중 제 1반응기(20)의 수소가 제 2반응기(25)로 모두 이동하거나 혹은 콘트롤러에 미리 입력된 사이클 전환 시점이 되면, 도 2에 도시된 것과 같이 유로제어밸브(50)의 연결관로(51)가 변환되면서 제 2반응기(15)와 연결된 포트 및 제 1압축기(40)의 입력포트와 연결된 포트를 연결시킨다.

이에 따라서, 수소 압송 방향이 반대로 되어 제 2반응기(25)로부터 제 1반응기(20)로 수소가 이동하게 되어, 전술한 것과는 반대로 제 2반응기(25)가 흡열반응을 하게 되고, 제 1반응기(20)는 발열반응을 하게 된다.

제 2반응기(15)를 통해 흡입되는 공기는 냉각된 후 실내와 연결된 배기유로(미도시)를 통해 실내로 배출되고, 제 1반응기(10)를 통해 흡입되는 공기는 가열된 후 실외와 연결된 배기유로(미도시)를 통해 실외로 배출된다.

상기 냉난방장치는 실내가 원하는 냉방온도로 될 때까지 혹은 설정 시간까지 상기와 같은 과정을 연속적으로 반복 수행하게 된다.

본 발명의 냉난방장치로 난방작동을 수행하고자 할 경우에는 발열반응을 하는 반응기를 통과한 따뜻한 공기가 실내로 안내되도록 하고, 흡열반응을 하는 반응기를 통과한 차가운 공기는 실외로 안내되도록 하면 되는 바, 냉난방장치의 난방작동에 대해서는 전술한 냉방작동에 의해 충분히 이해될 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 전술한 냉난방장치의 운전 중 제 1압축기(40)와 제 2압축기(45)에서 고온의 열이 발생하게 되는데, 도 3에 도시된 것과 같이 운전중 제 1보조송풍팬(75)이 작동하게 되면 제 1압축기(40) 쪽에서 제 2보조반응기(72) 쪽으로 공기가 유동하면서 제 1압축기(40)에서 발생한 열이 제 2보조반응기(72)로 전달되고, 이에 따라 상기 제 1보조반응기(71)가 고온으로 가열되면서 제 1보조반응기(71) 내의 수소가 보조 수소유로관(73)을 통해 제 2보조반응기(72)로 이동한다.

제 1보조반응기(71)의 수소가 제 2보조반응기(72)로 모두 이동하면 상기 밸브(74)가 폐쇄되고, 제 1보조송풍팬(75)은 작동이 중단된다.

이어서, 적정한 시점에 상기 밸브(74)가 개방되면, 도 4에 도시된 것과 같이 상기 제 1보조반응기(71) 내의 수소저장합금이 제 2보조반응기(72) 내의 수소저장합금보다 수소 흡수력이 크기 때문에 제 2보조반응기(72)의 수소가 제 1보조반응기(71)로 이동하게 되고, 이와 동시에 제 2보조송풍팬(76)이 작동하게 된다.

따라서, 상기 제 2보조송풍팬(76)에 의해 송풍된 공기는 흡열반응을 하고 있는 제 2보조반응기(72)를 통과하면서 냉각되어 제 2압축기(45)를 식혀주게 되고, 이에 따라 열 발생에 따른 제 2압축기(45)의 체적효율 저하를 방지할 수 있게 된다.

제 2보조반응기(72)의 수소가 제 1보조반응기(71)로 모두 이동하게 되면 제 2보조송풍팬(76)의 작동이 중단되고, 다시 전술한 과정을 반복하면서 제 2압축기(45)를 주기적으로 식혀준다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 냉난방장치는 수소 저장합금의 기술이 적용된 냉난방장치의 각 반응기가 대형화되더라도 전체적인 시스템의 크기는 상기 반응기의 크기에 비례하여 대형화하지 않아도 되는 효과가 있다.

특히, 본 발명은 냉난방장치의 수소 냉매를 펌핑하는 압축기를 다단으로 구성하고, 운전중 어느 한 압축기에서 발생하는 폐열을 이용하여 다른 압축기를 냉각시켜줄 수 있게 되므로 압축기 성능을 향상시킬 수 있는 효과도 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 내부에 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와;

   외부의 공기를 강제 흡입시켜 각 반응기를 통해 열교환시킨 후 실내 및 실외로 강제 송풍시키는 송풍팬과;

   상기 각 반응기와 연결되고, 수소가 유동하는 수소 유로관과;

   상기 수소 유로관에 연결되어 상기 수소 유로관 내의 수소를 강제 압송하도록 여러 단계에 걸쳐 압송력을 발생시키는 직렬로 연결된 한 쌍의 압축기와;

   상기 압축기 사이에 배치되어 각 압축기로부터 토출된 수소를 냉각시키는 1개 이상의 중간 냉각유니트와;

   상기 수소 유로관에 설치되어 수소의 압송 방향을 제어하는 유로제어밸브와;

   상기 각 압축기의 일측에 설치되고, 서로 다른 수소 흡수 능력을 갖는 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 제 1,2보조반응기와;

   상기 제 1,2보조반응기 간에 수소가 이동하는 통로를 이루도록 각 보조반응기를 연결하는 보조 수소유로관과;

   상기 제 1보조반응기의 일측에 설치되어 어느 한 압축기에서 발생한 열을 제 1보조반응기 쪽으로 송풍시키는 제 1보조송풍팬 및;

   상기 제 2보조반응기의 일측에 설치되어 제 2보조반응기를 통해 다른 한 압축기로 공기를 송풍시키는 제 2보조송풍팬을 포함하여 구성된 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 보조 수소유로관에는 수소 이동을 제어하는 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.