KR102079910B1 - 상변화물질을 이용한 잠열축열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상변화물질을 이용한 잠열축열장치에 관한 것으로서, 액체에서 고체로 응고되거나 고체에서 액체로 융해되는 과정에서 발생하는 잠열을 이용하여 축열/방열하는 데 사용되는 축열재가 저장되는 쉘 앤드 튜브 타입(shell and tube type)의 축열조를 포함하는 상변화물질을 이용한 잠열축열장치에 있어서, 상기 축열조는, 수평 방향으로 배치되며, 상기 축열재가 저장된 저장챔버; 상기 저장챔버의 하부에 위치하고 고온수가 흐르는 축열용 채널; 및, 상기 저장챔버의 상부에 위치하고, 냉수가 흐르는 방열용 채널;을 포함하되, 상기 축열재는, 비중이 서로 다른 2종의 상변화물질로서, 밀도가 낮은 관계로 상부로 떠올라 상기 방열용 채널 측에 인접한 상기 저장챔버의 상부 벽체에 위치하는 제1축열재; 및, 상기 제1축열재보다 상대적으로 높은 밀도로 상기 제1축열재의 하부에 위치하는 제2축열재를 포함하되, 방열과정에서 액체에서 고체로 응고되어 제1축열재에 고착되는 고체 상태의 제2축열재의 상측이 임계 중량에 도달하게 될 경우 중력에 의해 제1축열재로부터 분리되도록 구성된 상변화물질을 이용한 잠열축열장치를 제공한다.

Description

상변화물질을 이용한 잠열축열장치{LATENT HEAT STORAGE APPARATUS USING PHASE CHANGE MATERIAL}

본 발명은 상변화물질을 이용한 잠열축열장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방열과정에서 발생되는 상변화물질의 챔버 내벽에 고착되는 현상을 해결하여 열전달 효율을 향상시킬 수 있는 상변화물질을 이용한 잠열축열장치에 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 상변화 물질(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.

특히 상변화 물질(PCM)을 이용하는 잠열 축열방식은 상변화 물질(PCM)의 단위부피 및 단위 무게당 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 상변화 물질(PCM)은 잠열재, 축열재, 축냉재, 열조절성 물질로 정의할 수 있는데, 일정 온도에서 고체가 액체상태로, 또는 액체가 고체상태로 상이 변하는 상변화 과정(분자의 물리적인 배열이 변하는 물리적 변화과정)을 통하여 열에너지를 축적하거나 저장된 열에너지를 방출하는 것이다.

이와 같이, 상변화 물질(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.

종래의 상변화물질을 이용한 잠열축열장치는 그 용도에 따라 여러 형태로 구분되는데, 두 유체 사이에 격판이 있는 쉘 앤드 튜브 타입(shell and tube type), 상변화물질이 담긴 축열조에 열교환기를 설치하여 축열하는 축열식, 두 유체가 직접 접촉하는 직접 접촉식 등 여러 종류로 구분된다.

특히, 상기 쉘 앤드 튜브 타입의 열교환기 형태는 쉘 또는 튜브에 상변화물질(PCM:PHASE CHANGE MATERIAL)을 충전하고 열전달 유체를 통과시켜 열을 저장하거나 회수하는 장치이다.

이러한 방식의 잠열축열장치는, 축열조 내에 상변화물질이 저장되고, 그 사이로 열매체가 흐를 수 있는 채널이 설치된 구조로, 열매체는 채널을 통해 축열조에 저장되어 있는 상변화물질과 열교환하여 냉열을 저장한다.

그런데, 이러한 방열 과정에서 튜브의 채널에 냉수를 투입하여 온수를 얻기 위한 방열 과정에서 응고되는 상변화물질이 액체에서 고체로 변화하기 시작하게 되고, 튜브 벽에 고착되어 시간이 지날수록 두께가 성장하여 결정화가 되며, 이 결정화 현상으로 인해 아직 액체 상태로 열을 내포하고 있는 상변화물질과 물이 원활하게 열교환을 하지 못하도록 하는 열저항을 발생시키며 내벽과 상변화물질 간의 온도차가 하락하여 열유속 또한 감소하게 된다.

또한, 상변화 물질의 대부분은 낮은 열전도도를 갖기 때문에 결정화 현상에 따른 열저항은 상변화에 따른 열 방출을 하는데 많은 시간이 소요되게 하며 이는 결국 축방열 성능을 저하시켜 열 전달 성능을 떨어뜨리는 문제점이 있었다(도 1 참조).

특허등록공보 제0311095호(2001.09.22)

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 비중이 서로 다른 2종의 상변화물질의 비중차를 이용하되, 방열과정에서 액체에서 고체로 응고되어 상변화물질이 중력에 의해 저밀도의 상변화물질로부터 쉽게 분리됨으로써, 상변화물질과 물의 온도차를 높게 유지하여 축열 과정에서의 열전달 성능을 향상시킬 수 있는 상변화물질을 이용한 잠열축열장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 액체에서 고체로 응고되거나 고체에서 액체로 융해되는 과정에서 발생하는 잠열을 이용하여 축열/방열하는 데 사용되는 축열재가 저장되는 쉘 앤드 튜브 타입(shell and tube type)의 축열조를 포함하는 상변화물질을 이용한 잠열축열장치에 있어서, 상기 축열조는, 수평 방향으로 배치되며, 상기 축열재가 저장된 저장챔버; 상기 저장챔버의 하부에 위치하고 고온수가 흐르는 축열용 채널; 및, 상기 저장챔버의 상부에 위치하고, 냉수가 흐르는 방열용 채널;을 포함하되, 상기 축열재는, 비중이 서로 다른 2종의 상변화물질로서, 밀도가 낮은 관계로 상부로 떠올라 상기 방열용 채널 측에 인접한 상기 저장챔버의 상부 벽체에 위치하는 제1축열재; 및, 상기 제1축열재보다 상대적으로 높은 밀도로 상기 제1축열재의 하부에 위치하는 액체 상태의 제2축열재를 포함하되, 방열과정에서 액체에서 고체로 응고되어 제1축열재에 고착되는 고체 상태의 제2축열재의 상측이 임계 중량에 도달하게 될 경우 중력에 의해 제1축열재로부터 쉽게 분리되도록 구성된 상변화물질을 이용한 잠열축열장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 액체 상태의 제2축열재의 일부는 상기 축열용 채널을 흐르는 고온수에 의해 상부로 떠오르게 되어 상기 고체 상태의 제2축열재의 상측 응고 부위와 반전된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1축열재는 녹는점이 낮고 열전도도가 높은 액상의 얇은 필름으로 이루어지고, 상기 제2축열재는 상기 제1축열재와 극성이 반대이면서 제1축열재와 비중 차이를 이용할 수 있는 액체 상태로 이루어진다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 축열재는, 상기 제1축열재 및 제2축열재 중, 하나는 무극성 물질인 올레산(Oleic aid)로 이루어지고, 다른 하나는 극성 물질인 폴리에틸렌 글리콜(Polyetylene glycol)로 이루어진다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 축열조는 축열재가 내부에 밀폐되어 충전되며, 직렬 및 병렬로 연결되어 대용량의 축열조를 구성할 수 있도록 모듈화된 축열모듈을 포함한다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 잠열축열장치에 의하면, 방열과정에서 응고되는 상변화물질이 저밀도의 상변화물질로부터 쉽게 분리됨으로써, 축열 과정에서의 상변화물질과 물의 온도차를 높게 유지하여 열전달 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 축열재가 저장되어 있는 축열조 케이싱을 모듈화하여 직렬 및 병렬로 연결하여 대용량의 축열조를 구성할 수 있게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 축열조 내의 열전달 과정을 나타내는 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 잠열축열장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 축열조 내의 제1 및 제2축열재의 배치상태를 나타내는 단면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 잠열축열장치의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 축열조 내의 제1 및 제2축열재의 배치상태를 나타내는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 잠열축열장치는, 열교환기(11)를 외부열원(12)과 축열조(10)를 연통시켜, 상기 외부열원(12)으로부터 제공된 열기를 열교환기(11)를 통해 열교환하여 축열조(10)에 저장된 축열재(1)를 축열하고, 이와는 반대로 열교환기(11)로부터 방출된 열을 열교환기(11)를 통해 열교환하여 축열조(10)에 저장된 축열재(1)를 방열하도록 구성되어 있다.

본 발명에 적용된 열교환기(11)는 제1냉매관(13)과 제2냉매관(14)이 연통되어 있으며, 각각의 제1 및 제2냉매관(13,14)을 통해 순환되는 냉매가 서로 교환되지 않도록 구성되어 있다.

여기서, 본 발명의 제1냉매관(13)과 제2냉매관(14)을 순환하는 냉매는 일반적인 물을 사용한다. 이는 축열조를 순환하는 냉매로 이용하던 공기에 비해 열교환 밀도가 매우 높아 동일 면적당 열교환 성능이 크게 개선됨을 나타내고 있는 것이다.

상기 제1냉매관(13)과 제2냉매관(14)에 충전된 냉매는 통상 펌프에 의해 가압되어 열교환기(11)와 축열조(10)의 폐쇄회로를 순환하게 된다.

본 발명에 적용된 열펌프를 포함하는 열교환기(11)는 축열 과정시 고온수를 제공하여 열교환을 통해 제1냉매관(13)의 냉매를 가열시켜 축열재(1)를 축열하고, 이와는 반대로 방열과정 시 열교환기(11)로부터 방출된 열을 열교환기(11)를 통해 열교환하여 축열조(10)에 저장된 축열재(1)를 방열할 수 있도록 구성된다.

상기 축열조(10)는 쉘 앤드 튜브 타입(shell and tube type)의 단열구조를 갖는 축열조 케이싱(10a)과, 상기 축열재(1)가 내부에 밀폐되어 충전되어 있는 축열모듈(20)을 포함하여 구성된다.

상기 축열조 케이싱(10a)은 축열재(1)의 축열 또는 방열 시 외부와 단열하기 위하여 금속재질의 케이싱 본체와 내부에 단열재가 개재되어 구성된다.

여기서, 축열조 케이싱(10a)은 본 실시예에 한정되지 않고 다양하게 변형 실시될 수 있으며 축열재(1)를 투입하고 드레인시키는 각 개구부는 축열조(10)의 상부 또는 하부에 구비된다.

상기 축열모듈(20)은 축열재(1)의 액체에서 고체로 응고되거나 고체에서 액체로 융해되는 과정에서 발생하는 잠열을 이용하여 축열/방열하는 시스템에 사용되는 축열조(10)의 내부에 배치되고 상기 축열재(1)가 내부에 충전되어 축열재(1)가 축열하거나 방열할 때 상기 축열조(10)의 내부에서 이동하는 열매체와 열교환하며, 설치와 운반이 가능한 사이즈를 갖는 형태로 모듈화된 것이다.

도면을 참조하여, 축열조(10)는, 고온수가 흐르는 축열용 채널(101)이 하부에 위치하고, 냉수가 흐르는 방열용 채널(102)이 상부에 위치하는 튜브 형태로서, 상기 축열용 채널(101)과 상기 방열용 채널(102) 사이에는 축열재(1)가 저장된 저장챔버(103)가 형성되어 있으며, 축열모듈(20)은 중력을 이용하기 위하여 수평 방향으로 배치된다.

상기 저장챔버(103) 내에 저장되는 축열재(1)는 특정 온도범위에서 큰 축열밀도를 가지는 복수의 상변화물질로 이루어진다.

상기 축열재(1)는 비중이 서로 다른 2종의 상변화물질로서, 제2축열재(1b) 대비, 밀도와 녹는점이 낮고 열전도도가 높은 액상의 얇은 필름으로 이루어진 제1축열재(1a)와, 상기 제1축열재(1a)와 극성이 반대이면서 제1축열재(1a)와 비중 차이를 이용할 수 있는 액체 상태의 제2축열재(1b)를 포함한다.

상기 제1축열재(1a)와 상기 제2축열재(1b)는 각각 무극성 물질인 올레산(Oleic aid)과 극성 물질인 폴리에틸렌 글리콜(Polyetylene glycol)로 이루어지며, 두 축열재가 비중 차이를 이용할 수 있는 물질이면 어느 조합으로 이루어져도 적용이 가능하다. 즉, 상기 제1축열재(1a)가 극성 물질이고, 제2축열재(1b)가 무극성 물질일 수 있다. 이와 같이, 제1축열재(1a)와 제2축열재(1b)가 극성이 반대일 경우 서로 섞이지 않고 서로 별개의 형상을 유지할 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 상기 제1축열재(1a)와 상기 제2축열재(1b)는 수평 방향으로 배치된 저장챔버(103) 내에 저장되는데, 상기 제1축열재(1a)는 제2축열재(1b)와 밀도차로 인해 상부로 떠올라 냉수가 흐르는 방열용 채널(102) 측에 인접한 저장챔버(103)의 상부 벽체에 위치하게 된다.

그리고, 상기 제2축열재(1b)는 상기 제1축열재(1a)보다 상대적으로 높은 밀도를 유지하고 있는 액체 상태로서, 상기 제1축열재(1a)의 하부에 위치하게 된다.

방열용 채널(102)을 흐르는 냉수가 투입되어 고온수를 얻기 위한 방열 과정에서, 상기 방열용 채널(102)에 인접하게 위치하는 제2축열재(1b)의 상측이 냉각 과정을 거치면서 제2축열재(1b)의 상측 일부가 응고되어 제1축열재(1a)에 고체 상태로 고착된다.

상기 제2축열재(1b)의 상측 일부는 시간이 지날수록 점진적으로 응고 부위(S)가 확대되고, 이와 같은 상태에서, 상기 제2축열재(1b)의 응고 부위(S)가 임계 중량에 도달하게 되면, 즉 고체 상태의 제2축열재(1b)의 응고 부위(S)가 제1축열재(1a)에 고착된 상태에서 일정한 중량 이상이 되면, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 제1축열재(1a)로부터 쉽게 분리되어 중력에 의해 하강하게 된다.

이때, 상기 고체 상태의 제2축열재(1b)의 응고 부위(S)의 하부에 위치하고 액체 상태로 이루어진 제2축열재(1b)의 하측 일부는 상기 축열용 채널(101)을 흐르는 고온수로 인해 밀도가 하강하면서 상부로 떠오르게 되어 상기 제2축열재(1b)의 응고 부위(S)와 반전된다.

따라서, 방열용 채널(102)을 흐르는 냉수와 제2축열재(1b)의 온도차가 높게 유지되어 열전달 성능을 향상시키게 된다.

결국, 본 발명은 비중이 서로 다른 2종의 상변화물질로 이루어진 축열재(1)의 비중차를 이용하되, 방열과정에서 액체에서 고체로 응고되어 저밀도의 제1축열재(1a)에 고착되는 제2축열재(1b)가 중력에 의해 상기 저밀도의 제1축열재(1a)로부터 쉽게 분리됨으로써, 축열 과정에서, 제2축열재(1b)와 냉수의 온도차를 높게 유지하여 열전달 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 축열재(1)가 저장되어 있는 축열조 케이싱(10a)을 모듈화하여 직렬 및 병렬로 연결하여 대용량의 축열조(10)를 구성할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 축열재 1a : 제1축열재
1b : 제2축열재

Claims (5)

1. 액체에서 고체로 응고되거나 고체에서 액체로 융해되는 과정에서 발생하는 잠열을 이용하여 축열/방열하는 데 사용되는 축열재가 저장되는 쉘 앤드 튜브 타입(shell and tube type)의 축열조를 포함하는 상변화물질을 이용한 잠열축열장치에 있어서,
   상기 축열조는, 수평 방향으로 배치되며,
   상기 축열재가 저장된 저장챔버;
   상기 저장챔버의 하부에 위치하고 고온수가 흐르는 축열용 채널; 및,
   상기 저장챔버의 상부에 위치하고, 냉수가 흐르는 방열용 채널;을 포함하되,
   상기 축열재는, 비중이 서로 다른 극성인 2종의 상변화물질로서,
   밀도가 낮은 관계로 상부로 떠올라 상기 방열용 채널 측에 인접한 상기 저장챔버의 상부 벽체에 위치하는 액상의 얇은 필름으로 이루어진 제1축열재; 및,
   상기 제1축열재보다 상대적으로 높은 밀도로 상기 제1축열재의 하부에 위치하며, 상기 제1축열재와 극성이 반대이면서 액상인 제2축열재를 포함하되,
   방열과정에서 액체에서 고체로 응고되어 상기 제1축열재에 고착되는 고체 상태의 상기 제2축열재의 상측의 응고 부위가 임계 중량에 도달하게 될 경우 중력에 의해 상기 제1축열재로부터 분리되고,
   액상의 상기 제2축열재의 일부는 상기 축열용 채널을 흐르는 고온수에 의해 상부로 떠오르게 되고, 상기 고체 상태의 상기 제2축열재의 상측 응고 부위는 하강하여 서로 반전되도록 구성된 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 잠열축열장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 축열재는, 상기 제1축열재 및 제2축열재 중, 하나는 무극성 물질인 올레산(Oleic aid)이고, 다른 하나는 극성 물질인 폴리에틸렌 글리콜(Polyetylene glycol)인 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 잠열축열장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 축열조는 축열재가 내부에 밀폐되어 충전되며, 직렬 및 병렬로 연결되어 대용량의 축열조를 구성할 수 있도록 모듈화된 축열모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 잠열축열장치.

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