KR101936840B1

KR101936840B1 - 잠열축열 장치

Info

Publication number: KR101936840B1
Application number: KR1020170028156A
Authority: KR
Inventors: 강상우; 김경호; 신유환; 이용복
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2017-03-06
Filing date: 2017-03-06
Publication date: 2019-01-11
Also published as: KR20180101780A

Abstract

본 발명은, 유체의 유입을 가능하게 하는 유입구 및 상기 유체의 유출을 가능하게 하는 유출구를 구비하고, 내부에서 유체가 열교환하며 유동 가능하게 하는 열 교환 컨테이너; 상기 열 교환 컨테이너 내에 설치되고, 적재 공간을 구비하도록 형성되는 프레임; 및 복수 개로 이루어져서 상기 적재 공간에 설치되고, 내부에 잠열축열재를 수용 가능하게 하는 수용 공간을 구비하며, 상기 잠열축열재와 유체와의 열 교환 가능하도록 이루어지는 잠열축열 용기를 포함하고, 상기 프레임은 상기 열 교환 컨테이너 내에서 복수의 층 구조를 이루도록 복수 개로 설치되는 것을 특징으로 하는 잠열축열 장치를 제공한다.

Description

잠열축열 장치{Apparatus for latent heat storage}

본 발명은 열전달 면적을 향상시키는 잠열축열 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 열을 매체의 내부에너지로서 저장하는 것을 축열이라 하며, 이 축열은 크게 현열 축열과 잠열 축열로 나눌 수 있다.

이때, 현열 축열은 물질의 온도 상승을 이용하는 방식으로서 물이나 모래 또는 자갈 등에 축열하는 방식을 일컬으며, 잠열 축열은 특정 온도범위에서 큰 축열밀도를 가지는 상변화물질(Phase Change Material; PCM)의 전이 및 융해열(잠열)을 이용하여 축열하는 방식을 일컫는다.

최근에는 현열 축열방식에 비해 특정 온도범위에서의 축열량이 매우 큰 장점을 갖는 잠열 축열방식을 이용한 축열의 연구 및 제안이 이루어지고 있다.

또한, 상변화물질(PCM)을 이용하는 잠열 축열방식은 상변화물질(PCM)의 단위부피 및 단위무게당 열에너지의 저장용량이 커서 현열 축열에 비해 부피나 무게를 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 온도성층 현상이 심하지 않아 급격한 온도변화 없이 사용온도에 알맞은 범위에서 거의 일정한 온도로 축열 및 방열을 수행할 수 있는 이점을 제공한다.

잠열 축열에 사용되는 상변화물질(PCM)은 잠열재, 축열재, 축냉재, 열조절성물질로 정의할 수 있는데, 일정 온도에서 고체가 액체상태로, 또는 액체가 고체상태로 상이 바뀌는 상변화과정(분자의 물리적인 배열이 바뀌는 물리적 변화과정)을 통하여 열에너지를 축적하거나 저장된 열에너지를 방출하는 것이다.

덧붙여, 상변화물질은 크게 유기물질과 무기물질로 분류할 수 있는데, 유기물질로는 탄소와 수소로 이루어진 탄화수소계열의 테트라데칸, 옥타데칸, 노나데칸 등을 예로 들 수 있으며, 무기물질로는 6개의 물분자가 결합된 수화물형태의 염화칼슘 등 무기수화물(inorganic hydrate)을 예로 들 수 있다.

이와 같이, 상변화물질(PCM)을 이용한 축열 제품은 농산물이나 수산물 또는 축산물의 생산/저장/유통 등의 식품산업분야를 비롯하여 건물이나 특정 공간의 냉난방을 위한 냉난방분야, 주방용품이나 의복 등의 생활산업분야, 세포조직 운반/보관이나 물리치료 등 의학산업분야, 자동차나 우주항공 또는 전기전자통신의 첨단산업분야 등 산업 전반에 걸쳐 사용 및 응용되고 있다.

도 1은 종래의 열전달 장치를 도시하는 개념도이다.

종래의 잠열 축열 용기(5)는, 도 1에 도시되는 바와 같이, 구형으로 형성되어서 내부에 잠열축열재를 저장하였다.

종래의 잠열축열재는 일정 열전달 면적을 얻기 위해서 상당량의 용기를 필요로 하였으며, 유체의 원활한 혼합 및 열교환 성능이 극대화되지 못하고, 이로 인해 열전달 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

또한, 종래의 잠열축열재는 금속으로 캡슐화함으로써 지속적인 축방열에 의한 캡슐이 피로파괴 되는 내구성의 문제가 있었다.

한편, 종래의 잠열 축열 용기는, 잠열 축열 용기의 파손 시에, 해당부분만의 보수가 어려운 문제가 있었다.

본 발명의 일 목적은, 열전달면적을 증가시켜서 열전달 성능을 향상시키고, 아울러 열교환 응답속도를 향상시키는 용기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은, 파손시에 해당 모듈의 교체를 용이하게 하여 유지관리 비용을 절감시키는 용기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은, 축방열시 유체의 압력강하를 감소하며, 유체 급배수시 부하를 감소하는 용기를 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 잠열축열 장치는 유체의 유입을 가능하게 하는 유입구 및 상기 유체의 유출을 가능하게 하는 유출구를 구비하고, 내부에서 유체가 열교환하며 유동 가능하게 하는 열 교환 컨테이너; 상기 열 교환 컨테이너 내에 설치되고, 적재 공간을 구비하도록 형성되는 프레임; 및 복수 개로 이루어져서 상기 적재 공간에 설치되고, 내부에 잠열축열재를 수용 가능하게 하는 수용 공간을 구비하며, 상기 잠열축열재와 유체와의 열 교환 가능하도록 이루어지는 잠열축열 용기를 포함하고, 상기 프레임은 상기 열 교환 컨테이너 내에서 복수의 층 구조를 이루도록 복수 개로 설치된다.

상기 프레임의 각각의 층의 상기 적재 공간에서 상기 복수 개의 잠열축열 용기는 서로 인접하도록 이루어져서 밀집 구조를 형성할 수 있다.

상기 잠열축열 용기 각각은, 일 방향으로 연장되는 실린더 형상으로 이루어지고, 상기 열 교환 컨테이너에서 유동하는 유체를 상기 유출구를 향하게 통과시키도록 내주에 중공이 형성되며, 상기 중공을 통과하는 유체는 상기 잠열축열재와 열 교환 가능하도록 이루어질 수 있다.

상기 복수 개의 프레임은 서로 이격되도록 이루어지고, 상기 서로 이격된 복수 개의 프레임 사이에는 스페이서가 설치되고, 상기 스페이서는, 적어도 일부는 서로 세 방향으로 교차되며, 적어도 다른 일부는 서로 이격되도록 형성되어서 유체를 연통 가능하게 하는 공간을 구비하여, 상기 서로 이격된 복수 개의 프레임 사이에서 유체의 유동을 가능하게 할 수 있다.

상기 프레임 각각은, 상부 및 하부 각각을 형성하도록 서로 교차하게 배치되며, 각각이 서로 복수 개로 이루어지는 제1 및 제2부재; 및 상기 상부 및 하부를 형성하는 제1 및 제2부재에 연결되며, 상기 잠열축열 용기와 나란하게 배치되는 제3부재를 포함할 수 있다.

상기 잠열축열 용기의 양 단에는 상기 상부 및 하부에 결합되는 결합단부가 더 구비되고, 상기 제1부재 사이에서 삽입 가능하도록 이루어질 수 있다.

상기 복수의 층의 프레임 중 적어도 하나의 프레임은, 복수의 단위 유닛으로 이루어질수 있다.

본 발명의 잠열축열 용기는 프레임의 적재 공간에서 밀집 구조를 형성하여 열전달면적을 증대시키고, 열전달 성능을 향상시켜서 열교환 응답속도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 잠열축열 용기는 복수 개로 이루어져서 프레임의 적재 공간에 설치됨으로써, 파손시에 열전달부의 교체를 용이하게 하여 유지관리 비용을 절감시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 프레임은 상기 열 교환 챔버 내에서 복수 개로 설치되어, 복수의 층 구조를 이루므로, 축방열시 유체의 압력강하를 감소하며, 유체 급배수시 부하를 감소하게 할 수 있다.

도 1은 종래의 열전달 장치를 도시하는 개념도.
도 2는 본 발명의 잠열축열 장치를 도시하는 사시도.
도 3은 도 2의 프레임에 잠열축열 용기가 설치되는 예를 도시하는 사시도.
도 4는 도 2의 프레임을 도시하는 사시도.
도 5는 도 2의 잠열축열 용기를 도시하는 개념도.
도 6은 본 발명의 잠열축열 장치의 스페이서를 도시하는 사시도.
도 7은 본 발명의 단위 유닛을 설명하기 위한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "구비한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 잠열축열 용기(30) 적재 장치(100)에 대하여 서술한다.

본 발명의 잠열축열 장치(100)는 열 교환 컨테이너(10), 프레임(20) 및 잠열축열 용기(30)를 포함한다.

열 교환 컨테이너(10)는 유체의 유입을 가능하게 하는 유입구(12) 및 유체의 유출 가능하게 하는 유출구(14)를 구비한다. 도 2의 하단 및 상단(16)에 각각 유입구(12) 및 유출구(14)가 설치되는 예가 도시된다. 열 교환 컨테이너(10)의 상단(16)은 내부를 단열 가능하도록 설치될 수 있다.

본 발명의 유체는 고온의 물, 공기, 및 오일일 수 있다. 하지만, 본 발명의 유체는 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 잠열축열 용기(30)를 통과하며, 잠열축열재(39)와 열 교환할 수 있는 다양한 물질일 수 있다.

또한, 열 교환 컨테이너(10)는 내부에서 유체가 열교환하며 유동 가능하게 한다.

열 교환 컨테이너(10)에는 후술하는 잠열축열 용기(30)가 설치되는 프레임(20)이 설치된다.

프레임(20)은 열 교환 컨테이너(10) 내에 설치되는데, 잠열축열 용기(30)가 설치되는 적재공간(28)을 구비한다. 또한, 프레임(20)은 열 교환 컨테이너(10) 내에서 유동하는 유체를 연통 가능하게 할 수 있다.

프레임(20)은 열 교환 컨테이너(10) 내에서 복수 개로 설치되어 복수의 층 구조를 이룬다. 프레임(20)은 현장의 환경이나 열 교환 컨테이너(10)의 크기에 따라서, 개수가 다양하게 변경될 수 있다.

상기 복수의 층의 프레임(20) 중 적어도 하나의 프레임(20)은, 복수의 단위 유닛의 조합으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 잠열축열 용기(30)가 2*2, 2*3 또는 3*3 배열 형태로 수용되는 단위 유닛으로 이루어지고, 하나의 층을 이루는 프레임(20)이 이러한 단위 유닛이 행과 열로 배열된 조합으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 열 교환 컨테이너(10)의 크기에 맞게 프레임(20)을 별도로 제작함이 없이 단위 유닛의 조합으로 프레임을 형성할 수 있다.

잠열축열 용기(30)는 프레임(20)의 적재공간(28)에 설치된다. 복수개의 잠열축열 용기(30)가 프레임(20)에 설치되어 하나의 층 모듈을 이루며, 층 모듈을 이룬 상태로 열 교환 컨테이너(10) 내부에 삽입된다. 이때 상술한 바와 같이, 프레임(20)이 일체로 형성된 하나의 프레임이 아니라, 단위 유닛들의 조합으로 이루어지는 경우 층 모듈은 잠열 축열 용기(30)가 설치된 단위 유닛들이 행과 열로 배열된 형태로 이루어지며, 이 때 단위 유닛들의 조합이 프레임(20)이 된다. 잠열 축열 용기(30)가 내장된 단위 유닛은 도 7에 도시되어 있다. 도 7 은 2*2 배열 형태로 잠열축열 용기(30)가 설치된 단위 유닛을 잠열축열 용기 설치상태(a)와 비 설치상태(b)로 도시하고 있고, 이러한 2*2 형태의 잠열축열 용기가 설치된 단위 유닛이 행과 열로 배열되어 16개의 잠열축열 용기(30)가 설치된 프레임을 이룬 것을 잠열축열 용기 설치상태(c) 및 비 설치 상태(d)로 각각 도시하고 있다.

잠열축열 용기(30)는 프레임(20)의 각각의 층의 적재공간(28)에서 서로 접촉하도록 이루어져서 밀집 구조를 형성할 수 있다. 도 3에는 적재공간(28)에서 복수 개의 잠열축열 용기(30)가 밀집되도록 배치되는 예가 도시된다.

한편, 잠열축열 용기(30)는 일 방향으로 연장되는 실린더 형상으로 이루어질 수 있다. 잠열축열 용기(30)는 내부에 수용 공간(32)을 구비하여 잠열축열재(39)를 수용 가능하게 한다. 또한, 잠열축열 용기(30)의 내주에는 중공(34)이 구비될 수 있는데, 중공(34)을 통해서, 열 교환 컨테이너 내부(10)에서 유동하는 유체를 일 방향으로 통과시키면서, 잠열축열재(39)와 유체를 열 교환 가능하게 한다. 잠열축열 용기(30)의 내주에 형성된 중공(34)에 의해 유체와 잠열축열재(39) 사이의 열 교환하는 열전달면적은 증가될 수 있으며, 이로 인해 열교환 응답속도는 향상될 수 있다.

수용 공간(32)은 잠열축열 용기(30)의 외주 및 내주 사이에 형성될 수 있어서, 잠열축열 용기(30)의 외주를 지나가는 유체 및 잠열축열 용기(30)의 중공(34)을 지나가는 유체는 잠열축열재(39)와 열 교환을 가능하게 한다.

잠열축열 용기(30)의 양 단에는 결합단부(37)가 더 구비될 수 있는데, 결합단부(37)는 프레임(20)의 상부 및 하부에 결합될 수 있다.

프레임(20) 각각은 제1 내지 제3부재(22, 24, 26)를 포함할 수 있다.

제1 및 제2부재(22, 24)는 각각 복수 개로 이루어지고, 서로 교차하게 배치되어 프레임(20) 각각의 상부 및 하부를 형성할 수 있다. 제1부재(22) 사이에는 결합단부(37)가 결합될 수 있다.

제3부재(26)는 잠열축열 용기(30)와 나란하게 배치되는데, 상부 및 하부를 연결시킬 수 있다.

한편, 복수 개의 프레임(20)은 서로 이격되도록 설치될 수 있는데, 서로 이격된 복수 개의 프레임(20) 사이에는 스페이서(40)가 설치될 수 있다.

스페이서(40)는 프레임(20)과 비슷한 구조로 형성될 수 있다. 일예로, 스페이서(40)는 적어도 일부는 서로 세 방향으로 교차하도록 이루어질 수 있으며, 적어도 다른 일부는 서로 이격되도록 이루어지는 복수의 부재들(41a, 41b, 41c) 을 포함할 수 있다. 복수의 부재들(41a, 41b, 41c) 사이에는 유체가 유동하여 지나갈 수 있는 통로가 형성되어 서로 이격된 복수 개의 프레임(20) 사이에서 유체의 유동을 가능하게 할 수 있다.

열 교환 컨테이너(10)의 바닥에는 이격부재(17)가 복수 개 설치될 수 있다. 이격부재(17)는 복수 개의 프레임(20)들 중 최하층에 있는 프레임(20)을 열 교환 컨테이너(10)의 바닥과 이격시킨다. 열 교환 컨테이너(10) 바닥의 유입구(12)를 통해 유입된 유체는 최하층의 프레임(20) 내의 복수의 잠열축열 용기(30)로 골고루 분산되며 유동되어 열교환 가능하게 할 수 있다.

이상에서 설명한 잠열축열 장치(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

100:잠열축열 장치 10:열 교환 컨테이너
12:유입구 14:유출구
17:이격부재 20:프레임
22:제1부재 24:제2부재
26:제3부재 28:적재공간
27a:유입통로 27b:유출통로
30:잠열축열 용기 32:수용 공간
34:중공 37:결합단부
39:잠열축열재 40:스페이서
41a,41b,41c:복수의 부재

Claims

유체의 유입을 가능하게 하는 유입구 및 상기 유체의 유출을 가능하게 하는 유출구를 구비하고, 내부에서 유체가 열교환하며 유동 가능하게 하는 열 교환 컨테이너;
상기 열 교환 컨테이너 내에 설치되고, 적재 공간을 구비하도록 형성되는 프레임; 및
상기 적재 공간에 설치되고, 내부에 잠열축열재를 수용 가능하게 하는 수용 공간을 구비하며, 상기 잠열축열재와 유체와의 열 교환 가능하도록 형성된 복수개의 잠열축열 용기를 포함하고,
상기 프레임은 상부 및 하부 각각을 형성하도록 서로 교차하게 배치되며, 각각이 서로 복수 개로 이루어지는 제1부재 및 제2부재; 및 상기 상부 및 하부를 형성하는 제1부재 및 제2부재에 연결되며, 상기 잠열축열 용기와 나란하게 배치되는 제3부재를 포함하는 단위 유닛이 행과 열로 배열되고, 상기 열 교환 컨테이너 내에서 복수의 층 구조를 이루도록 복수 개로 설치되며,
상기 잠열축열 용기는 상기 프레임의 상부 및 하부에 결합되어 고정되는 결합단부에 의해 상기 프레임의 적재공간에 외측면이 서로 접촉하여 밀집구조를 형성하고, 프레임과 함께 하나의 층 모듈을 이루며,
상기 층 모듈은 상기 열 교환 컨테이너 내부에 삽입되어 복수의 층 구조로 이루어지며,
상기 잠열축열 용기 각각은, 상기 프레임에 하나씩 탈착 가능하게 설치되며,
일 방향으로 연장되는 실린더 형상으로 이루어지고, 상기 열 교환 컨테이너에서 유동하는 유체를 상기 유출구를 향하게 통과시키도록 내주에 중공이 형성되며, 상기 중공을 통과하는 유체는 상기 잠열축열재와 열 교환 가능하도록 이루어지며,
복수 개의 상기 프레임들 중 최하층에 있는 프레임을 열 교환 컨테이너의 바닥과 이격시키기 위한 이격부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠열축열 장치.
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제1항에 있어서,
상기 복수 개의 프레임은 서로 이격되도록 이루어지고, 상기 서로 이격된 복수 개의 프레임 사이에는 스페이서가 설치되고,
상기 스페이서는, 적어도 일부는 서로 세 방향으로 교차되며, 적어도 다른 일부는 서로 이격되도록 형성되어서 유체를 연통 가능하게 하는 공간을 구비하여, 상기 서로 이격된 복수 개의 프레임 사이에서 유체의 유동을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 잠열축열 장치.
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