KR100562192B1 - 냉방용 기구 또는 저온 유지용 기구에 사용하기 위한 캡슐형 아이스볼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 빙축열 냉방기 등에 사용되고 있는 캡슐형 아이스 볼 내부 얼음의 부피 팽창을 보다 효율적으로 흡수하는 방법에 관한 것이다. 종래의 캡슐 내부는 축열재인 물과 이 물이 동결될 때 부피 팽창을 흡수 완화하기 위하여 공기가 충전되어 있다. 본 발명은 이 공기 대신에 동결과정에서 기체에서 액체로 변화되는 상변화 물질을 충전하여, 동결 때 얼음의 부피 팽창을 흡수하게한 캡슐형 아이스볼을 제공한다.

본 발명에 의하면 종래 캡슐형 빙축열 냉방기의 아이스 볼 축열조의 크기를 크게 감소시킬 수 있으며, 또한 단위 체적 당 빙축 열량을 증가시킬 수 있는 매우 경제적인 고안으로 빙축열 냉방시스템의 효율을 크게 향상시키는 효과를 갖는다.

빙축열 냉방기, 캡슐, 아이스 볼, 충전 기체, 상변화 물질

Description

냉방용 기구 또는 저온 유지용 기구에 사용하기 위한 캡슐형 아이스볼 {Ice ball in Capsule to use for keeping low temperature}

도 1은 본 발명의 캡슐형 아이스볼 내부 개략도

도 2는 종래 캡슐형 아이스볼 내부 개략도

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 상변화물질 가스 2 : 물

3 : 공기 4 : 물

본 발명은 빙축열 냉방기에 사용되고 있는 캡슐형 아이스 볼 내부 얼음의 부피 팽창을 흡수하는 방법에 관한 것이다. 종래의 캡슐 내부는 축열재인 물과 이 물이 동결될 때 부피 팽창을 흡수 완화하기 위하여 공기가 충전되어 있다. 본 발명은 이 공기 대신에 동결과정 동안 기체에서 액체로 변화되는 상변화 물질을 충전하여, 얼음의 부피 팽창을 흡수하는 것이다. 이 것은 축열조내 내부 공간을 대비하여 축열 캡슐의 충전량을 증가시킬 수 있는 기술이다.

종래의 캡슐형 아이스볼 내부는 도 2에서와 같이 축열재인 물(3)과 이 물의 동결 때 얼음의 부피 팽창을 흡수하여 플라스틱 캡슐의 파손을 막기위한 공기(4)가 10% 충전되어 있다. 그 원리를 보면 캡슐내 물은 심야에 냉동기에 의해 동결된 후 낮 동안 해빙되면서 융해열을 냉방으로 제공하며, 공기는 물이 동결될 때 부피가 9.1% 팽창하는 것을 완충하는 기능을 한다. 캡슐은 주로 외면에 주름이나 큰 요철(딤플)이 만들어져 있어, 물의 결빙 때 부피가 팽창하여 표면이 원만한 구형으로 변형되게 된다. 캡슐의 형태는 구형, 판형, 실린더형 등 다양한 형태이나 그 원리는 동일하며, 만약 캡슐 내부를 물로 완전 충전한다면 동결시 부피 팽창으로 인하여 캡슐이 파쇄될 것은 자명한 일이다.

본 발명은 이 완충용 공기 대신에 도 1과 같이 기체에서 액체로 변화되는 상변화 물질(2)을 충전하여, 빙축열 냉방기의 캡슐 내 축열재인 물(1)이 얼음으로 동결되는 과정동안, 이 충전기체는 액체로 상변화됨으로써 부피가 수축되어 얼음의 부피 팽창을 흡수함으로써 상온에서의 원래의 캡슐 체적을 유지하도록 하는 것이다.

빙축열 시스템은 심야전력으로 얼음을 얼려 축열한 후 낮 동안 냉방을 할 수 있는 장점이 있는 반면, 얼음의 축열을 위한 축열조의 용적이 매우 큰 단점을 보유하고 있는 기술이다. 그러므로 종래의 빙축열에 관련된 기술이나 고안은 이 단점을 보안하면서 에너지 효율을 증가시키는 데 주력되고 있다. 즉 빙축열의 축열조, 캡슐간의 간격, 시스템 개선 그리고 열전달의 향상과 축열물질인 물의 양을 늘리기 위한 캡슐 형상의 다양화 등의 기술이 개발 및 고안된 바 있으나, 본 발명과 관련된 내용은 전무한 상황이다.

본 발명에 의하면 종래 캡슐형 빙축열 냉방기의 아이스 볼 축열조의 단위 크기를 기준할 때 캡슐형 아이스볼 저장량을 9% 이상 증가시킬 수 있으며, 또한 단위 체적 당 빙축 열량을 12%이상 증가시킬 수 있는 매우 경제적인 고안으로 빙축열 냉방시스템의 효율을 크게 향상시키는 효과를 갖는다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해서 고안된 것으로, 그 목적은 축열조 내부 공간에 캡슐형 아이스볼의 충진량을 9%이상 증가시켜 축열량을 증가시킬 수 있도록 하여 열효율과 공간 활용의 효율성을 증대시키고자 하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안은 캡슐 내부의 축열재인 물이 얼음으로 동결되는 과정동안, 충전된 기체가 액체로 변화되면서 부피가 감소하여 얼음의 팽창을 흡수토록 하는 것이다. 이러한 상변화 물질로는 에틸아민 (16.6℃), 염화에틸(12.4℃), 디클로로플루오로메탄 (8.9℃), 디클로로테트라플루오로에탄(3.8℃), 부탄(-0.5℃) 등이 있다.

본 발명에서 채용 가능한 상변화 물질로는 상기한 바와 같이 기체에서 액체로 상변화 물질들, 드라이 아이스와 같이 기체에서 고체로 바로 상변화하는 물질과, 대상 물질들을 하나 이상 혼합한 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이러한 캡슐 부피 팽창 흡수 방법은 빙축열 냉방시스템 뿐만 아니라, 야외용 아이스 박스 내의 저온 유지용 얼음 팩, 얼음 팩 의복 등 저온 유지용 각종 저장 기구의 부피 팽창을 기체의 상변화 현상을 적용하여 흡수하는 방법을 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

캡슐형 아이스볼 내부에 충전된 물과 기체는 부피로 각각 90%, 10% 씩 채워져 있다. 축열조에 채워진 이 캡슐속의 물은 심야전력에 의해 가동되는 냉동기에 의해 1기압에서 0℃에 동결되면서 부피가 9.1% 증가한다. 한편 공기 대신 충전된 상변화 물질은 기체에서 액체로 액화되면서 물의 동결 체적 증가 분을 흡수하게 된다. 구체적으로 -0.5℃에 액화하는 부탄가스가 500cm³ 캡슐 1개에 50cm³ 충전되어 있는 경우, 축열조에 흐르는 저온의 브라인(-5℃∼-8℃)에 의하여 부탄가스는 액화되면서 체적이 0.226cm³으로 감소하게 된다. 즉 기체 상태와 액체 상태 일때의 밀도 ρ_기 = 2.7109 g/l, ρ_액 = 601.1 g/l 를 고려하여 산정하면, 기체의 질량은

50cm³ x 2.7109 g/l x 1/1000 = 0.136g 이며, 이 질량의 가스가 액화될 때 차지하는 부피는

0.136g x 1/601.1 l/g x 1000 = 0.226cm³ 가 된다. 즉 50cm³ 의 가스가 0.226cm³ 의 액체로 상변화되면서 체적은 200분의 1로 감소하게 되는 것이다. 그러므로 물의 동결시 9.1% 부피 팽창을 완전히 흡수하게 된다.

또한 부탄가스 기체는 액화되면서 액화잠열을 빼앗기게 되며, 물의 동결 때 액화된 액체부탄은 열을 흡수하면서 기화하게 된다. 이는 얼음의 빙축열 외에 충진 기체의 액화에 의한 재기화 잠열을 냉방에 이용할 수 있게 되는 것이다. 그 에너지양을 보면,

냉열량 = 질량 x (0℃ 1기압하 기체 엔탈피 - 액체 엔탈피)

52.47 J/g = 0.136g x ( 584.54 - 198.75 J/g) 가 된다.

그러므로 본 발명에 의한 빙축열량의 증가는 축열조에 캡슐을 9.1% 더 충전할 수 있는 것과 함께 충전기체의 상변화 잠열 이용량이 된다. 이는

물 450g / 캡슐 1개 x 334.1 J/g (물-얼음 상변화 잠열) = 150,345 J/g

150,345 J/g x 0.091 + 52.47 = 13,734 J/g 로, 캡슐 1개 내 총 빙축열 에너지의 양이 9.13% 증가되는 것이다.

즉 빙축열의 축열조는 얼음의 부피 팽창을 감안하여 항상 10%의 공간을 크게 제작하고 있다. 그러나 본 발명을 적용하면 축열조에 10% 공간을 남겨둘 필요가 없이 가득 충전할 수 있게 되는 것이다.

그 밖에 본 발명은 액체에서 고체로 변화하는 물질, 드라이 아이스(고체 이산화탄소)와 같이 기체에서 고체로 승화하는 물질, 그리고 이 물질들의 혼합물질들을 포함한다.
또한, 이러한 캡슐 부피 팽창 흡수 방법은 빙축열 냉방시스템뿐만 아니라, 야외용 아이스 박스 내의 저온 유지용 얼음 팩이나, 저온 유지용 각종 저장 기구의 부피 팽창을 기체의 상변화 현상을 적용하여 흡수하는 방법을 포함한다.

상술한 바와같이 본 발명은 빙축열 캡슐 내부의 완충용 공기 대신에 기체에서 액체로 변화되는 상변화 물질을 충전하여, 빙축열 냉방기의 축열재인 물이 얼음으로 동결되면서 부피가 팽창하는 과정동안, 이 충전기체가 액체로 상변화됨으로써 얼음의 부피 팽창을 흡수하는 기술로, 빙축열 축열조의 공간을 10% 이상 남겨둘 필요가 없이 가득 충전할 수 있게 되어 공간의 효율을 높일 수 있고, 빙축 축열량을 크게 증가시킬 수 있어, 빙축열 시스템의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 갖게 된다.

Claims (3)

1. 빙축열 냉방 기구 또는 저온 유지용 기구에 사용하기 위한 캡슐형 아이스볼에 있어서, 축열재 및 상기 축열재의 동결시 팽창되는 부피를 흡수하는 기체를 포함하여 이루어지는 상기 기체가 동결과정에서 액체 또는 고체로 상변화되는 물질인 것을 특징으로 하는 캡슐형 아이스볼.
2. 제 1항에 있어서, 상기 상변화 물질은 에틸아민, 염화에틸, 디클로로플루오로메탄, 디클로로테트라플루오로에탄 및 부탄 중에서 선택되는 하나 이상의 물질임을 특징으로 하는 캡슐형 아이스볼.
3. 제 1항에 있어서, 상기 상변화 물질은 드라이아이스임을 특징으로 하는 캡슐형 아이스볼.

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