KR100727407B1 - 흡착식 냉동기용 마이크로 채널의 흡착탑 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각수, 냉매 및 흡착제가 채널 적층식에서 순환 및 공급되도록 하여 단위 체적당 전열면적이 증대되고, 열손실의 최소화로 고효율화를 꾀할 수 있도록 한 흡착식 냉동기용 마이크로 채널의 흡착탑을 제공하기 위한 것으로, 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 일측에 냉각수 입구 및 냉매순환용 포트를 타측에 냉각수 출구와 흡착제 공급포트를 갖는 통형의 하우징과; 상기 하우징의 내부에 위치하여 상기 냉각수 입구 및 냉각수 출구에 연통된 유로를 갖는 하나 이상의 냉각수 채널과; 상기 하우징의 내부에 위치하여 상기 냉각수 채널의 일측면에 밀착 적층되고 상기 흡착제 공급포트를 통하여 주입된 흡착제를 수납하는 하나 이상의 흡착제 채널과; 상기 하우징의 내부에 위치하고, 상기 흡착제 채널의 일측면에 밀착 적층되고, 상기 냉매순환용 포트와 연통된 유로와 다수의 관통구가 형성된 하나 이상의 냉매순환용 채널이 포함된 것을 특징으로 한다.

냉동기, 냉매, 흡착탑, 실리카 겔, 냉각수, 증발기, 응축기

Description

흡착식 냉동기용 마이크로 채널의 흡착탑 {Absorber with micro channel for absorbing refrigerator}

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.

도 1 내지 도 4는 종래 흡착탑에 적용되는 열교환기의 다양한 형태를 예시한 도면.

도 5는 일반적인 흡착식 냉동기의 흡착 및 탈착 상태를 나타내는 작동모드 예시도.

도 6은 본 발명의 흡착탑에 적용되는 열교환기의 분해사시도.

도 7은 본 발명의 흡착탑에 적용되는 냉각수 채널 및 냉매순환용 채널의 제작된 사진예시도.

도 8은 본 발명에 적용되는 냉각수 채널의 유로를 나타내는 요부 확대도.

도 9는 본 발명에 적용되는 흡착탑의 사시도.

도 10은 본 발명에 적용되는 흡착탑의 분해사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20: 하우징 21: 냉각수 입구

22: 냉매순환용 포트 23: 냉각수 출구

24: 흡착제 공급포트 30: 냉각수 채널

40: 흡착제 채널 50: 냉매순환용 채널

본 발명은 흡착식 냉동기용 흡착탑에 관한 것으로, 특히 열 및 물질 전달을 극대화하여 흡착 시스템의 열손실을 최소화하고, 단위 체적당 전열면적을 증대할 수 있도록 한 흡착식 냉동기용 마이크로 채널의 흡착탑에 관한 것이다.

일반적으로 흡착식 냉동기는 흡수식 냉동기와 더불어 비프레온화와 폐열이라는 관점에서 주목을 받고 있는 냉동방식이다. 냉동원리는 흡수식과 비슷한데, 흡수기 대신 흡착탑이 있으며, 이 흡착탑에는 흡착제가 고정되어 있고 냉매만 순환하게 되어 있다.

예로, 흡착제로 실리카겔을, 냉매로서 물을 작동매체로 하는 흡착식 냉동기는 각종 발전소 및 공장에서 버려지는 폐열(60℃∼95℃)을 재활용하여 실내의 냉방을 행할 수 있어 환경친화적이며, 미이용에너지 활용 및 국가 에너지절약 차원에서 활발한 연구가 요구되어 진다.

그러나 흡착식 냉동기는 아직까지 시스템의 효율이 낮아서 국내에서는 전혀 보급되지 못하고 있는 실정이다. 흡착식 냉동기의 구성요소는 2개의 흡착탑, 증발기, 응축기 등으로 구성되어 있으며 이중에서 흡착탑은 흡착식 냉동기 중에서 가장 많은 체적을 차지하고 성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다.

흡착식 냉동기의 원리를 도 5에서 간단히 살펴보면, 2개의 흡착탑(HEX1,HEX2), 증발기(EVA), 응축기(COND) 등으로 구성되어 있으며 4개의 작동모드(MODE A~D)를 통하여 밸브의 조작과 작동시간의 조작으로 증발기에서 냉수(일반적으로 7℃)을 얻어내어 실내의 냉방을 할 수 있는 환경친화적인 냉방시스템이다.

즉, 냉매가 증발기(EVA)에 분사되어 증발이 일어나고, 이때의 증발잠열에 의해 냉수(Chilled water)가 얻어진다. 증발된 냉매증기는 제1흡착탑(HEX1)에 흡착되고 이때 냉각수(Cooling water) 흡착열을 제거하여 주는 흡착사이클을 이루게 된다.

이때 제2흡착탑(HEX2)에서는 열매체로 가열되어 냉매증기가 이탈되는 탈착이 이루어져 응축기(COND)로 공급되고 냉각수에 의해 응축되어 다시 증발기로 공급된다.

여기서 구동원으로 사용되는 온수(Hot water)는 발전소 및 각종 공장에서 버려지는 폐열을 활용할 수가 있으며 전기 및 가스를 전혀 사용하지 않고 냉매로서 물을 사용하므로 이산화탄소 등의 배출염려가 전혀 없다.

한편, 흡착식 냉동기의 선행 기술들을 검토해 보면 흡착탑으로 사용되고 있는 열교환기의 형상으로 도 1과 같은 Shell and tube type, 도 2와 같은 Flat-pipe type, 도 3과 같은 Plate-fin type, 도 4와 같은 Spiral plate type이 적용되고 있다.

그러나 이러한 형상과 구조들은 냉동공조분야에서 다양하게 사용하고 있어 구조가 간단하고 값이 싸다는 장점이 있으나, 흡착제와 열전달 튜브 핀 사이의 열저항이 대단히 크고, 냉매증기의 유로확보가 곤란하여 시스템의 효율을 올리는데 한계가 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 제반적인 사정을 감안하여 창출된 것으로, 냉각수, 냉매 및 흡착제가 채널 적층식에서 순환 및 공급되도록 하여 단위 체적당 전열면적이 증대되고, 열손실의 최소화로 고효율화를 꾀할 수 있도록 한 흡착식 냉동기용 마이크로 채널의 흡착탑을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은, 흡착식 냉동기에 사용되는 흡착탑에 있어서, 일측에 냉각수 입구 및 냉매순환용 포트를 타측에 냉각수 출구와 흡착제 공급포트를 갖는 통형의 하우징과; 상기 하우징의 내부에 위치하여 상기 냉각수 입구 및 냉각수 출구에 연통된 유로를 갖는 하나 이상의 냉각수 채널과; 상기 하우징의 내부에 위치하여 상기 냉각수 채널의 일측면에 밀착 적층되고 상기 흡착제 공급포트를 통하여 주입된 흡착제를 수납하는 하나 이상의 흡착제 채널과; 상기 하우징의 내부에 위치하고, 상기 흡착제 채널의 일측면에 밀착 적층되고, 상기 냉매순환용 포트와 연통된 유로와 다수의 관통구가 형성된 하나 이상의 냉매순환용 채널이 포함된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 냉각수 채널과 흡착제 채널 및 냉매순환용 채널이 교대로 적층되어 구성되거나, 상기 냉매순환용 채널은 박판형으로 구성된 것을 특징으로 한다. 나아가 냉각수 채널과 흡착제 채널 및 냉매순환용 채널은 가스켓, 볼트, 용접 중 어느 하나를 택일하여 상호 적층 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 흡착탑에 적용되는 열교환기의 분해사시도이고, 도 7은 본 발명의 흡착탑에 적용되는 냉각수 채널 및 냉매순환용 채널의 제작된 사진예시도이고, 도 8은 본 발명에 적용되는 냉각수 채널의 유로를 나타내는 요부 확대도이고, 도 9는 본 발명에 적용되는 흡착탑의 사시도이고, 도 10은 본 발명에 적용되는 흡착탑의 분해사시도이다.

도 6 내지 도 10과 같이 흡착식 냉동기에 사용되는 흡착탑(10)이 예시되어 있다.

흡착탑(10)은 일측에 냉각수 입구(Water Inlet)(21) 및 냉매순환용 포트(22)를 갖고, 타측에 냉각수 출구(23)와 흡착제 공급포트(24)를 갖는 통형의 하우징(20)이 구비된다.

본 실시예에서 하우징(20)은 원통형으로 양단이 원판(28,29)에 의해 밀폐되 어 있고, 하우징(20)의 외주면에는 하우징(20) 내의 진공을 형성하기 위해 진공포트(27)가 구비되어 있다.

상기 하우징(20)의 내부에는 도 6 및 도 10과 같이 중앙에 냉매순환용 채널(50)이 위치되고, 상기 냉매순환용 채널(50)을 기준으로 하여 한쌍의 흡착제 채널(40)이 대칭적으로 배치되어 있고, 상기 흡착체 채널(40)의 일측면에는 각기 냉각수 채널(30)이 밀착 적층되어 있다.

즉, 본 발명은 냉각수 채널(30), 흡착제 채널(40) 및 냉매순환용 채널(50)이 기본적으로 구비된다. 따라서 본 실시예에서는 이들 채널들을 2배수로 하여 구성한 것이다.

상기 냉각수 채널(30)은 본 실시예에서 0.3㎜의 박판형으로 상기 냉각수 입구(21) 및 냉각수 출구(23)에 연통된 유로를 갖는다. 본 실시예에서 냉각수 채널(30)의 유로는 일면에 도 8과 같은 길고 좁은 유로(31)가 촘촘히 형성된 구성으로 이루어져 있다.

상기 흡착제 채널(40)은 상기 냉각수 채널(30)의 일측면에 밀착 적층된 것으로 본 실시예에서 2㎜의 박판형으로 구성되고, 내부에 상기 흡착제 공급포트(24)와 연통되어 흡착제를 수납하는 수납공간(41)이 넓게 형성되어 있다.

본 실시예에서 흡착제는 저온폐열을 회수하여 사용할 수 있도록 80℃ 정도의 열원만 있으면 탈착이 가능한 실리카 겔(Silica Gel)을 사용하였다. 본 발명은 이에 한정되는 것은 탈착온도에 따라 제올라이트, 활성탄 등을 적용할 수 있음은 물론이다.

상기 냉매순환용 채널(50)은 상기 흡착제 채널(40)의 일측면에 밀착 적층된 것으로, 상기 냉매순환용 포트(22)와 연통된 유로(51)와 다수의 관통구(52)가 형성된다.

본 실시예에서 냉매순환용 채널(50)은 0.1㎜의 박판형으로 구성되어 있다.

한편, 냉각수 채널(30)과 흡착제 채널(40) 및 냉매순환용 채널(50)은 주지의 볼트를 이용한 체결식으로 적층 구성되거나 용접으로 적층 구성될 수 있다. 또한 각 채널(30,40,50)들의 사이사이에 가스켓(gasket)을 개재하여 적층 구성될 수 있다.

이와 같이 구성된 흡착식 냉동기용 흡착탑(10)의 작용을 설명한다.

먼저 흡착식 냉동기는 진공상태(7~8㎜hg)에서 작동하므로, 본 발명의 마이크로 채널 흡착탑(10)은 적층된 제품 사이사이에 접합하고자 부위 형상에 따라 미리 성형된 쉬트(Sheet) 형태의 접합제를 넣고, 5면이 막힌 치구에 제품 적층체를 넣고 남은 1면에 하중을 가한 상태로 열을 가하면 사이사이에 있는 접합재가 녹고 하중때문에 스퀴즈되면서 제품이 밀착되게 하여 제작된다.

열을 제거하면 스퀴즈된 상태의 접합재가 굳어 제품을 영구적으로 접합이 되므로, 기존에 흡착식 냉동기에 사용되고 있는 열교환기인 Shell and tube type, Flat-pipe type, Plate-fin type, Spiral plate type에 비하여 진공문제도 쉽게 해결할 수 있게 된다.

이후, 흡착제 공급포트(24)를 통해 실리카 겔이 흡착제 채널(40)의 수납공간(41)에 수납된다.

본 발명의 흡착탑(10)을 적용한 흡착 및 탈착 사이클에 대한 설명은 도 5에 도시한 사이클 예시도를 참조한다.

<흡착 사이클시>

먼저, 도 5와 같이 증발기(EVA) 내에 냉매(물)를 분사하면 증발잠열에 의해 냉수(Chilled water)가 얻어지고, 증발된 냉매증기는 2개의 흡착탑(10) 중 어느 하나의 흡착제 채널(40)에 흡착되어 증발이 계속 진행된다. 즉, 증발기(EVA)에서 발생된 냉매증기가 흡착제 공급포트(24)로 유동한 후 흡착제 채널(40)을 통과하면서 흡착제(실리카 겔)에 흡착되어 증발이 계속 진행된다.

이때 해당 흡착탑(10)에서는 냉각수가 일측의 냉각수 입구(21)를 통하여 공급되어 냉각수 채널(30)의 유로(31)를 경유한 후, 타측의 냉각수 출구(23)를 통하여 배출되도록 제어하여, 상기 냉매증기가 흡착제 채널(40)을 통과 시 흡착제(실리카 겔)에 흡착되면서 발생된 흡착열을 제거하여 줌으로써 흡착이 활발하게 이루어지도록 제공한다.

이같이 흡착이 계속 진행되어 평형상태가 되면 흡착은 더 이상 진행되지 않으므로 해당 흡착탑(10)은 탈착 사이클로 전환한다.

<탈착 사이클시>

탈착은 흡착이 완료된 흡착탑(10)을 열매체로 가열하여 냉매증기를 이탈시킴으로써 이루어진다. 보다 세세하게, 탈착 시 흡착제 공급포트(24)는 밸브조작에 의해 닫히고, 이후, 냉각수 입구(21)로부터 열매체인 온수(80℃ 정도)가 유입됨으로써 흡착탑(10)의 흡착제에 흡착된 냉매증기를 탈착시키고, 그 탈착된 냉매증기는 냉매순환용 채널(50)의 관통구(52)를 통해 유로(51)로 흘러들어와 냉매순환용 포트(22)를 통해 순환한다.

본 실시예에서는 각종 발전소 및 공장에서 버려지는 폐열을 열매체로 이용한다.

탈착된 냉매증기는 냉매순환용 포트(22)를 통해 응축기(COND)로 순환된다. 이때, 온수는 냉각수 출구(23)를 통해 유출된다.
그리고 응축기(COND)로 순환된 냉매증기는 응축기(COND)에서 냉각수에 의해 응축되어 다시 증발기(EVA)로 공급된다.

이와 같이 흡착식 냉동기용 마이크로 채널의 흡착탑(10)은 냉각수와 온수가 순환할 수 있는 냉각수 입구(21)(Water Inlet), 냉각수 출구(23)(Water Outlet)와 냉매증기가 순환할 수 있는 냉매증기 순환용 포트(22)(Mass Transfer Port), 흡착제(실리카 겔)를 충진할 수 있는 흡착제 공급포트(24)와 냉각수 채널(30)(Water Channel), 흡착제 채널(50), 냉매순환용 채널(50)(Mass Transfer Channel)을 교대로 적층함으로써 전도(Conduction)와 대류(Convection)의 조합 모드(Combine mode)를 최대로 활용하여 열 및 물질전달이 극대화된다.

따라서 흡착식 냉동기의 시스템 열손실을 최소화하여 고효율화를 기할 수 있으며, 단위체적당 전열면적을 증대할 수 있는 장점이 있다.

또한 흡착탑의 크기나 높이에 제한이 없이 적층이 가능하며, 병렬로 흡착탑을 여러대 설치하여 원하는 냉동능력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 흡착식 냉동기용 흡착탑에 따르면, 냉각수 채널, 흡착제 채널, 냉매순환용 채널을 교대로 적층함으로써 전도(Conduction)와 대류(Convection)의 조합 모드(Combine mode)를 최대로 활용하여 열 및 물질전달이 극대화된다. 따라서 흡착식 냉동기의 시스템 열손실을 최소화하여 고효율화를 기할 수 있으며, 단위체적당 전열면적을 증대할 수 있는 장점이 있다.

또한 흡착탑의 크기나 높이에 제한이 없이 적층이 가능하며, 병렬로 흡착탑을 여러대 설치하여 원하는 냉동능력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 흡착식 냉동기에 사용되는 흡착탑에 있어서,

   일측에 냉각수 입구(21) 및 냉매순환용 포트(22)를 타측에 냉각수 출구(23)와 흡착제 공급포트(24)를 갖는 통형의 하우징(20)과;

   상기 하우징(20)의 내부에 위치하여 상기 냉각수 입구(21) 및 냉각수 출구(23)에 연통된 유로를 갖는 하나 이상의 냉각수 채널(30)과;

   상기 하우징(20)의 내부에 위치하여 상기 냉각수 채널(30)의 일측면에 밀착 적층되고 상기 흡착제 공급포트(24)를 통하여 주입된 흡착제를 수납하는 하나 이상의 흡착제 채널(40)과;

   상기 하우징(20)의 내부에 위치하고, 상기 흡착제 채널(40)의 일측면에 밀착 적층되고, 상기 냉매순환용 포트(22)와 연통된 유로와 다수의 관통구가 형성된 하나 이상의 냉매순환용 채널(50)이 포함된 것을 특징으로 하는 흡착식 냉동기용 마이크로 채널의 흡착탑.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 냉각수 채널(30)과 흡착제 채널(40) 및 냉매순환용 채널(50)이 교대로 적층되어 구성된 것을 특징으로 하는 흡착식 냉동기용 마이크로 채널의 흡착탑.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 냉각수 채널(30)과 흡착제 채널(40) 및 냉매순환용 채널(50)은 박판형으로 구성된 것을 특징으로 하는 흡착식 냉동기용 마이크로 채널의 흡착탑.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 냉각수 채널(30)과 흡착제 채널(40) 및 냉매순환용 채널(50)은 가스켓, 볼트, 용접 중 어느 하나를 택일하여 상호 적층 구성된 것을 특징으로 하는 흡착식 냉동기용 마이크로 채널의 흡착탑.

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