KR102263742B1 - 열역학 사이클 장치 및 방법 - Google Patents

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퓨처베이 리미티드
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Abstract

열역학적 사이클 장치로서; (i)제1 저장매체를 수용하는 제1 저장조; (ⅱ)제2 저장매체를 수용하는 제2 저장조; (iii)제1 저장매체를 냉각시키기 위해 제1 저장조에 열적으로 결합되는 저온측 및 제2 저장매체를 가열하기 위해 제2 저장조에 열적으로 결합되는 고온측을 갖는 히트펌프; (iv)제1 작동유체가 흐르는 제1 열역학적 회로; (v)제2 작동유체가 흐르는 제2 열역학적 회로; (vi)보조열이 제1 가압증기의 생성에 기여하도록 제1 열역학적 회로에 열적으로 연결된 보조열 입력수단; 및 (vii)제2 작동유체의 열이 보조 히트싱크로 손실될 수 있도록 제2 열역학적 회로에 열적으로 연결된 보조열 출력수단; 을 포함하며,
제1 열역학적 회로는 제2 열역학적 회로와 열적으로 독립적이고, 장치는 충전모드, 저장모드 및 배출모드로 작동 가능하며; 충전모드에서, 히트펌프는 동력이 공급되어 제1 저장매체를 냉각시키고 제2 저장매체를 가열하며; 저장모드에서, 냉각된 제1 저장매체는 제1 저장조에 저장되고 가열된 제2 저장매체는 제2 저장조에 저장되며; 배출모드에서, 제1 가압증기의 제1 팽창기에 의한 팽창 및/또는 제2 가압증기의 제2 팽창기에 의한 팽창이 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.

Description

열역학적 사이클 장치 및 방법
본 발명은 열역학적 사이클 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 에너지의 저장 및/또는 폐열의 저장 및 폐열을 유용한 에너지로 회수하는 데에 이용될 수 있다.
발전 분야에서, 정해진 시간에 요구되는 전기의 공급 및 전기의 수요 사이에는 종종 불일치가 존재한다.
예를 들어, 수요를 맞추기 위해 발전소를 연속적으로 가동하는 것이 간헐적으로 가동하는 것과 달리 더 효율적일 수 있다. 그러나, 전기 에너지에 대한 요구가 지속적으로 변동하는 경우(특히 수요가 크게 떨어지는 야간의 경우), 발전소에서의 전력 공급은 종종 수요의 수준을 초과하게 된다. 추가적인 예로서, 재생 가능에너지의 발전기는 재생 가능 에너지(예: 풍력, 파력, 태양광 등)의 예측 불가능하고 변화 무쌍한 특성으로 인해 변동하는 에너지를 생성하며, 이러한 시간에 따라 변화하는 출력은 수요와는 거의 일치하지 않는다. 따라서, 발전기에 의해 생성된 에너지를 저장하고(예: 그러한 에너지에 대한 수요가 낮은 경우), 저장된 에너지를 다시 전기 에너지로 변환 할 수 있는(예: 수요가 증가하는 경우) 에너지 저장 시스템이 필요하다.
몇몇 에너지 저장 시스템들이 공지되어 있으며, 이와 같은 시스템들은, 추후 사용을 위해 전기 에너지를 열에너지로 변환하여 저장하는 시스템을 포함한다.
PSH(Pumped-storage hydroelectricity)는 현재 대규모로 이용 가능한 가장 효과적인 에너지 저장 방법이다. 그러나 PSH는, 높은 왕복 효율의 이점을 얻기 위해서는 산 및 호수/저수지가 요구된다. 다른 대규모 에너지 저장 방법은 지리적으로 한정되는 특정한 특징(예: 소금 동굴)이 요구되거나, 복잡한 극저온 플랜트 및 배터리가 필요하거나(경제적 문제가 수반되는 제한적인 유효 수명을 가질 뿐만 아니라 기후가 제어되는 환경을 필요로 하여 과류손 및 심각한 안전 문제를 갖게 되는 경우도 있음), 수명이 다할 경우 위험 물질의 폐기 및 처분과 관련된 높은 비용이 요구됨에도 불구하고 많이 논의되어 왔다.
많은 산업 및 상업 공정은 열의 형태로 폐에너지를 생성한다. 이 폐열을 포집하여 사용 가능한 전력으로 변환하는 능력은 재정적 및 환경적 이점을 모두 가지고 있다. 따라서 에너지를 저장하고 폐열을 포집할 필요가 있다.
본 발명의 특정 실시예들의 목적은 종래 기술과 관련된 특정 단점을 극복하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예들의 목적은 에너지의 저장 및/또는 폐열을 포집하여 폐열을 유용한 에너지를 전환하기 위함이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 열역학적 사이클 장치로서,
(i) 제1 저장매체를 수용하는 제1 저장조;
(ⅱ) 제2 저장매체를 수용하는 제2 저장조;
(iii) 상기 제1 저장매체를 냉각시키기 위해 상기 제1 저장조에 열적으로 결합되는 저온측 및 상기 제2 저장매체를 가열하기 위해 상기 제2 저장조에 열적으로 결합되는 고온측을 갖는 히트펌프;
(iv) 제1 작동유체가 흐르는 제1 열역학적 회로;
상기 제1 열역학적 회로는,
제1 가압증기를 생성하도록 상기 제1 작동유체를 증발시키는 제1 증발기;
상기 제1 가압증기를 팽창시키도록 배치된 제1 팽창기; 및
상기 제1 팽창기로부터 전달된 상기 제1 작동유체를 응축시키고 상기 제1 작동유체를 상기 제1 증발기에 공급하도록 배치되며 상기 제1 저장조에 열적으로 결합되는 제1 응축기; 를 포함하며,
(v) 제2 작동유체가 흐르는 제2 열역학적 회로;
상기 제2 열역학적 회로는,
제2 가압증기를 생성하도록 상기 제2 작동유체를 증발시키며 상기 제2 저장조에 열적으로 결합되는 제2 증발기;
상기 제2 가압증기를 팽창시키도록 배치된 제2 팽창기; 및
상기 제2 팽창기로부터 전달된 상기 제2 작동유체를 응축시키고 상기 제2 작동유체를 상기 제2 증발기에 공급하도록 배치된 제2 응축기; 를 포함하며,
(vi) 보조열이 상기 제1 가압증기의 생성에 기여하도록 상기 제1 열역학적 회로에 열적으로 연결된 보조열 입력수단; 및
(vii) 상기 제2 작동유체의 열이 보조 히트싱크로 손실될 수 있도록 상기 제2 열역학적 회로에 열적으로 연결된 보조열 출력수단; 을 포함하고,
상기 제1 열역학적 회로는 상기 제2 열역학적 회로와 열적으로 독립적이고, 상기 장치는 충전모드, 저장모드 및 배출모드로 작동 가능하며;
상기 충전모드에서, 상기 히트펌프는 동력이 공급되어 상기 제1 저장매체를 냉각시키고 상기 제2 저장매체를 가열하며;
상기 저장모드에서, 냉각된 상기 제1 저장매체는 상기 제1 저장조에 저장되고 가열된 상기 제2 저장매체는 상기 제2 저장조에 저장되며;
상기 배출모드에서, 상기 제1 가압증기의 상기 제1 팽창기에 의한 팽창 및/또는 상기 제2 가압증기의 상기 제2 팽창기에 의한 팽창이 이루어질 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 제1 팽창기 또는 상기 제2 팽창기 중 어느 하나 또는 모두는 터빈, 스크롤 팽창기, 스크류 팽창기, 테슬라 터빈 또는 왕복 기관 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 상기 제1 팽창기 또는 기 제2 팽창기 중 어느 하나 또는 모두는 발전을 위한 발전 팽창기(expander-generator)를 포함할 수 있다.
상기 제1 열역학적 회로 또는 상기 제2 열역학적 회로 중 어느 하나 또는 모두는 상기 제1 작동유체 또는 상기 제2 작동유체를 순환시키기 위한 펌프를 포함할 수 있다. 상기 제1 응축기는 상기 제1 열역학적 회로의 펌프를 통해 상기 제1 증발기로 상기 제1 작동유체를 공급하도록 배치될 수 있고/있거나 상기 제2 응축기는 상기 제2 열역학적 회로의 펌프를 통해 상기 제2 작동유체를 상기 제2 증발기로 공급하도록 배치될 수 있다. 상기 제1 열역학적 회로의 펌프 및/또는 상기 제2 열역학적 회로의 펌프는 원심 펌프, 활주식 베인 펌프, 지로터 펌프, 게롤러 펌프(geroller pump), 기어 펌프, 다이어프램 펌프, 피스톤 펌프, 플런저 펌프, 연동 펌프 또는 로브 펌프를 포함할 수 있다. 상기 장치는 복수의 펌프를 포함할 수 있으며, 복수의 펌프는 공통의 샤프트 상에 장착될 수 있다. 상기 제1 팽창기 또는 상기 2 팽창기 중 어느 하나 또는 둘 모두는 하나 이상의 펌프의 공통 샤프트 일 수 있는 샤프트 상에 장착될 수 있다.
상기 장치는 보조열 입력수단을 통해 상기 보조열을 상기 제1 열역학적 회로에 공급하기 위한 보조열원; 을 더 포함할 수 있다. 상기 보조열원은, 외부 대기 공급원, 건물 내부의 공기 공급원, 공조 또는 냉각 시스템으로부터 방출된 열, 주위 수원, 지상 근원, 지열원, 태양 열원, 태양 연못(solar pond), 생물학적 활성 열원, 산업 폐열, 또는 발전으로 인한 폐열 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 장치는 보조열 출력수단을 통해 상기 제2 열역학적 회로로부터 열을 전달받는 보조 히트싱크; 를 더 포함할 수 있다. 보조 히트싱크는 외부 대기 공급원, 건물 내부의 공기 공급원, 주위 수원, 지상 근원 및 폐냉각원 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제2 열역학적 회로는 추가적인 보조열이 상기 제2 가압증기의 생성에 기여하도록 추가적인 보조열 입력수단; 을 더 포함할 수 있다. 상기 장치는 추가적인 보조열 입력수단을 통해 제2 열역학적 회로에 추가적인 보조열을 제공하기 위한 추가적인 보조열원을 더 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제1 증발기와 상기 제1 팽창기 사이에 제1 과열기; 를 더 포함하며, 상기 제1 과열기는 상기 제1 작동유체를 과열하도록 배치될 수 있다.
상기 장치는 상기 제2 증발기와 상기 제2 팽창기 사이에 제2 과열기를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 과열기는 상기 제2 작동유체를 과열하도록 배치될 수 있다.
상기 장치는 상기 제2 응축기와 상기 제2 증발기 사이에 예열기를 더 포함할 수 있으며, 상기 예열기는 상기 제2 작동유체를 가열할 수 있다.
상기 제1 저장매체 또는 상기 제2 저장매체 중 어느 하나 또는 모두는 캡슐화된 상변화물질 또는 캡슐화되지 않은 상변화물질; 을 더 포함할 수 있다.
상기 히트펌프의 저온측은 제1 열전달유체가 흐르는 제1 열전달 회로에 의해 상기 제1 저장조에 열적으로 결합될 수 있다. 상기 제1 저장매체는 캡슐화되지 않은 상변화물질을 포함하고, 상기 제1 열전달유체는 상기 제1 저장매체와 혼화되지 않을 수 있다.
상기 히트펌프의 고온측은 제2 열전달유체가 흐르는 제2 열전달 회로에 의해 상기 제2 저장조에 열적으로 결합될 수 있다. 상기 제2 저장매체는 캡슐화되지 않은 상변화물질을 포함하고, 상기 제2 열전달유체는 상기 제2 저장매체와 혼화되지 않을 수 있다.
상기 제1 저장조는 제 3 열전달유체가 흐르는 제 3 열전달 회로에 의해 상기 제1 열역학적 회로의 상기 응축기에 열적으로 결합될 수 있다. 상기 제 3 열전달유체는 상기 제1 열전달유체와 동일할 수 있다.
상기 제2 저장조는 제 4 열전달유체가 흐르는 제 4 열전달 회로에 의해 상기 제2 열역학적 회로의 상기 증발기에 열적으로 결합될 수 있다. 상기 제 4 열전달유체는 상기 제2 열전달유체와 동일할 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 히트펌프는 냉매가 흐르는 냉동 회로; 를 더 포함하고, 상기 냉동 회로는 냉동 압축기, 냉동 증발기, 냉동 응축기 또는 가스 냉각기 및 상기 냉매를 팽창시키는 냉동 팽창 수단을 포함하고, 상기 히트펌프의 저온측은 상기 냉동 증발기를 포함하고, 상기 히트펌프의 고온측은 상기 냉동 응축기 또는 상기 가스 냉각기를 포함할 수 있다. 냉동 팽창 수단은 냉동 팽창 밸브 또는 냉매 팽창기를 포함할 수 있다.
상기 제1 저장매체 및/또는 상기 제2 저장매체는 상기 충전모드, 상기 저장모드, 또는 상기 배출모드 중 어느 하나의 작동 중에 상변화가 없는 액체; 를 더 포함할 수 있다. 상기 장치는 상기 제1 저장매체를 교반 및/또는 재순환시켜 상기 제1 저장조 내의 온도를 균질화하고 층화를 억제하는 수단 및/또는 상기 제2 저장매체를 교반 및/또는 재순환시켜 상기 제2 저장조 내의 온도를 균질화하고 층화를 억제하는 수단을 포함할 수 있다.
상기 제1 저장조 및/또는 상기 제2 저장조는 각각 초기용기 및 이차용기를 포함할 수 있다. 상기 제1 저장매체는 상기 장치가 상기 충전모드로 작동될 때 제1 초기용기로부터 제1 이차용기로 이송될 수 있고, 상기 장치가 상기 배출모드로 작동될 때 상기 제1 이차용기로부터 상기 제1 초기용기로 이송될 수 있는 액체 일 수 있다. 상기 제2 저장매체는 상기 장치가 상기 충전모드로 작동될 때 제2 초기용기로부터 제2 이차용기로 이송될 수 있고, 상기 장치가 상기 배출모드로 작동될 때 상기 제2 이차용기로부터 상기 제 2초기용기로 이송될 수 있는 액체 일 수 있다.
상기 장치는 제1 저장조 및/또는 제2 저장조에 배치된 하나 이상의 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 장치는 열적으로 연결된 추가적인 보조 히트싱크가 제1 가압증기의 응축에 기여할 수 있도록 배치된 추가적인 보조 히트싱크 수단을 더 포함할 수 있다. 상기 장치는 추가적인 보조 히트싱크 수단에 열적으로 연결된 추가적인 보조 히트싱크를 더 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제1 팽창기 및 상기 제2 팽창기에 의해 출력된 에너지와 독립적으로 에너지를 출력하도록 배치된 추가적인 에너지 저장 수단을 더 포함할 수 있다. 추가의 에너지 저장 수단은 축전기, 배터리, 플라이휠 또는 다른 비열성 전기 또는 기계적 에너지 저장 수단을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 제1 또는 제2 열역학적 회로 중 어느 하나 또는 모두는 랭킨 사이클(Rankine cycle), 로렌츠 사이클(Lorenz cycle) 또는 칼리나 사이클(Kalina cycle)을 포함할 수 있다.
제1 또는 제2 저장매체 중 어느 하나 또는 모두는 -50 ℃ 내지 200 ℃, 또는 -30 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 저장될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 열역학적 사이클 장치를 작동시키는 방법으로서,
(a) 열역학적 사이클 장치를 제공하는 단계로서,
(i) 제1 저장매체를 수용하는 제1 저장조;
(ⅱ) 제2 저장매체를 수용하는 제2 저장조;
(iii) 상기 제1 저장매체를 냉각시키기 위해 상기 제1 저장조에 열적으로 결합되는 저온측 및 상기 제2 저장매체를 가열하기 위해 상기 제2 저장조에 열적으로 결합되는 고온측을 갖는 히트펌프;
(iv) 제1 작동유체가 흐르는 제1 열역학적 회로;
상기 제1 열역학적 회로는,
제1 가압증기를 생성하도록 상기 제1 작동유체를 증발시키는 제1 증발기;
상기 제1 가압증기를 팽창시키도록 배치된 제1 팽창기; 및
상기 제1 팽창기로부터 전달된 상기 제1 작동유체를 응축시키고 상기 제1 저장조에 열적으로 결합되는 상기 제1 작동유체를 상기 제1 증발기에 공급하도록 배치되는 제1 응축기; 를 포함하고,
(v) 제2 작동유체가 흐르는 제2 열역학적 회로;
상기 제2 열역학적 회로는,
제2 가압증기를 생성하도록 상기 제2 작동유체를 증발시키며 상기 제2 저장조에 열적으로 결합되는 제2 증발기;
상기 제2 가압증기를 팽창시키도록 배치된 제2 팽창기; 및
상기 제2 팽창기로부터 전달된 상기 제2 작동유체를 응축시키고 상기 제2 작동유체를 상기 제2 증발기에 공급하도록 배치된 제2 응축기; 를 포함하고,
(b) 상기 히트펌프에 동력을 공급하여 상기 제1 저장매체를 냉각시키고 상기 제2 저장매체를 가열하는 충전모드로 상기 장치를 작동시키는 단계;
(c) 냉각된 상기 제1 저장매체를 상기 제1 저장조에 저장하고 가열된 상기 제2 저장매체를 상기 제2 저장조에 저장하는 저장모드로 상기 장치를 작동시키는 단계;
(d) 보조열원을 사용하여 상기 제1 증발기에서 상기 제1 가압증기를 생성하고, 상기 제1 팽창기로 상기 제1 가압증기를 팽창시키고, 상기 제1 응축기에서 상기 제1 작동유체를 응축시키는 제1 배출모드로 상기 장치를 작동시키는 단계; 및
(e) 상기 제2 저장조로부터 전달된 열을 사용하여 상기 제2 증발기에서 상기 제2 가압증기를 생성하고, 상기 제2 가압증기를 팽창시키고, 보조 히트싱크를 사용하여 상기 제2 응축기에서 상기 제2 작동유체를 응축시키는 제2 배출모드로 상기 장치를 작동시키는 단계; 를 포함하고
상기(d) 및(e) 단계는 동시에 서로 독립적으로 실행 가능할 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 제1 팽창기 또는 상기 제2 팽창기 중 어느 하나 또는 모두는 터빈, 스크롤 팽창기, 스크류 팽창기, 테슬라 터빈 또는 왕복 기관 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 터빈은 선택적으로, 반경터빈(radial turbine), 축터빈(axial turbine), 또는 충동터빈(impulse turbine) 일 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 상기 제1 팽창기 또는 기 제2 팽창기 중 어느 하나 또는 모두는 발전을 위한 발전 팽창기(expander-generator)를 포함할 수 있다.
제1 또는 제2 열역학적 회로 중 어느 하나 또는 모두는 제1 또는 제2 작동유체를 순환시키기 위한 펌프를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 제1 응축기로부터 상기 제1 증발기로 상기 제1 작동유체를 제공하기 위해 상기 제1 열역학적 회로의 펌프를 사용 및/또는 상기 제2 응축기로부터 상기 제2 증발기로 상기 제2 작동유체를 제공하기 위해 상기 제2 열역학적 회로의 펌프를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 열역학적 회로의 펌프 및/또는 상기 제2 열역학적 회로의 펌프는 원심 펌프, 활주식 베인 펌프, 지로터 펌프, 게롤러 펌프(geroller pump), 기어 펌프, 다이어프램 펌프, 피스톤 펌프, 플런저 펌프, 연동 펌프 또는 로브 펌프를 포함할 수 있다. 상기 장치는 복수의 펌프를 포함할 수 있으며, 복수의 펌프는 공통의 샤프트 상에 장착될 수 있다. 상기 제1 팽창기 또는 상기 2 팽창기 중 어느 하나 또는 둘 모두는 하나 이상의 펌프의 공통 샤프트 일 수 있는 샤프트 상에 장착될 수 있다.
상기 장치는 상기 보조열 입력수단을 통해 상기 보조열을 상기 제1 열역학적 회로에 공급하기 위한 보조열원; 을 더 포함할 수 있다. 상기 보조열원은, 외부 대기 공급원, 건물 내부의 공기 공급원, 공조 또는 냉각 시스템으로부터 방출된 열, 주위 수원, 지상 근원, 지열원, 태양 열원, 태양 연못(solar pond), 생물학적 활성 열원, 산업 폐열, 또는 발전으로 인한 폐열 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 장치는 보조 히트싱크를 포함할 수 있으며, 상기 방법은 상기 보조 히트히크를 사용하여 상기 보조열 출력수단을 통해 상기 제2 열역학적 회로로부터 열을 전달받는 단계를 포함한다. 보조 히트싱크는 외부 대기 공급원, 건물 내부의 공기 공급원, 주위 수원, 지상 근원 및 폐냉각원 중 어느 하나 이상일 수 있다. 상기 제2 열역학적 회로는 추가적인 보조열이 상기 제2 가압증기의 생성에 기여할 수 있도록 추가적인 보조열 입력수단을 포함할 수 있다. 상기 장치는 추가적인 보조열원을 포함할 수 있으며, 상기 방법은 상기 충전모드, 상기 저장 모드, 상기 제1 배출 모드 및 상기 제2 배출 모드 중 어느 하나에서 상기 제2 가압증기의 생성에 기여하도록 보조열원으로부터의 열을 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제1 증발기와 상기 제1 팽창기 사이에 제1 과열기를 포함할 수 있으며, 상기 방법은 상기 제1 과열기를 사용하여 상기 제1 작동유체를 과열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제2 증발기와 상기 제2 팽창기 사이에 제2 과열기를 포함할 수 있으며, 상기 방법은 상기 제2 과열기를 사용하여 상기 제2 작동유체를 과열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제2 응축기와 상기 제2 증발기 사이에 예열기를 포함할 수 있으며, 상기 예열기를 사용하여 상기 제2 작동유체를 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 저장매체 또는 상기 제2 저장매체 중 어느 하나 또는 모두는 캡슐화된 상변화물질 또는 캡슐화되지 않은 상변화물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 저장매체는 캡슐화되지 않은 물질을 포함할 수 있고, 이 방법은 상기 충전모드의 작동 종료 시 상기 제1 저장매체를 슬러리 또는 단편화가 가능한 고체로 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 저장매체는 캡슐화되지 않은 물질을 포함할 수 있으며, 상기 방법은 상기 제2 배출모드의 작동 종료 시 제2 저장매체를 슬러리 또는 단편화가 가능한 고체로 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 히트펌프의 저온측은 제1 열전달유체가 흐르는 제1 열전달 회로에 의해 상기 제1 저장조에 열적으로 결합될 수 있다. 상기 제1 저장매체는 캡슐화되지 않은 상변화물질을 포함할 수 있고, 상기 제1 열전달유체는 상기 제1 저장매체에서 혼화되지 않을 수 있다.
상기 히트펌프의 고온측은 제2 열전달유체가 흐르는 제2 열전달 회로에 의해 상기 제2 저장조에 열적으로 결합될 수 있다. 상기 제2 저장매체는 캡슐화되지 않은 상변화물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 열전달유체는 상기 제2 저장매체에서 혼화되지 않을 수 있다.
상기 제1 저장조는 제 3 열전달유체가 흐르는 제 3 열전달 회로에 의해 상기 제1 열역학적 회로의 응축기에 열적으로 결합될 수 있다. 상기 제 3 열전달유체는 상기 제1 열전달유체와 동일할 수 있다.
상기 제2 저장조는 제 4 열전달유체가 흐르는 제 4 열전달 회로에 의해 상기 제2 열역학적 회로의 상기 증발기에 열적으로 결합될 수 있다. 상기 제 4 열전달유체는 상기 제2 열전달유체와 동일할 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 히트펌프는 냉매가 흐르는 냉동 회로; 를 더 포함하고, 상기 냉동 회로는 냉동 압축기, 냉동 증발기, 냉동 응축기 또는 가스 냉각기 및 상기 냉매를 팽창시키는 냉동 팽창 수단을 포함하고, 상기 히트펌프의 저온측은 상기 냉동 증발기를 포함하고, 상기 히트펌프의 고온측은 상기 냉동 응축기 또는 상기 가스 냉각기를 포함할 수 있다. 냉동 팽창 수단은 냉동 팽창 밸브 또는 냉매 팽창기를 포함할 수 있다.
상기 제1 저장매체 및/또는 상기 제2 저장매체는 상기 충전모드, 상기 저장모드, 또는 상기 배출모드 중 어느 하나의 작동 중에 상변화가 없는 액체; 를 더 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제1 저장조를 교반 및/또는 재순환시켜 상기 제1 저장조 내의 온도를 균질화하고 층화를 억제하는 수단 및/또는 상기 제2 저장조를 교반 및/또는 재순환시켜 상기 제2 저장조 내의 온도를 균질화하고 층화를 억제하는 수단을 포함할 수 있다.
상기 제1 저장조 및/또는 상기 제2 저장조는 각각 초기용기 및 이차용기를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 제1 저장매체는 액체일 수 있고, 상기 방법은, 상기 장치가 상기 충전모드로 작동될 때 제1 저장매체를 제1 초기용기로부터 제1 이차용기로 이송하는 단계 및 상기 장치가 상기 배출모드로 작동될 때 상기 제1 저장매체를 상기 제1 이차용기로부터 제1초기용기로 이송하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 제2 저장매체는 액체일 수 있고, 상기 방법은, 상기 장치가 상기 충전모드로 작동될 때 제2 저장매체를 제2 초기용기로부터 제2 이차용기로 이송하는 단계 및 상기 장치가 상기 배출모드로 작동될 때 상기 제2 저장매체를 상기 제2이차용기로부터 제2초기용기로 이송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 장치는 제1 저장조 및/또는 제2 저장조에 배치된 하나 이상의 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 장치는 열적으로 연결된 추가적인 보조 히트싱크가 제1 가압증기의 응축에 기여할 수 있도록 배치된 추가적인 보조열 출력수단을 포함할 수 있다. 상기 장치는 상기 추가적인 보조열 출력수단에 열적으로 연결된 추가적인 보조 히트싱크를 포함할 수 있으며, 상기 방법은 상기 제1 가압증기의 응축에 기여하도록 상기 추가적인 보조 히트싱크를 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 열역학적 회로는 단일 패스(single-pass) 열교환기를 포함할 수 있으며, 상기 방법은 제1 배출모드에서 상기 장치를 작동시킬 때 상기 제1 저장매체를 상기 단일 패스(single-pass) 열교환기를 통하도록 흘려 상기 제1 저장매체를 층화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 열역학적 회로는 단일 패스(single-pass) 열교환기를 포함하고, 상기 방법은 상기 제2 배출모드에서 상기 장치를 작동시킬 때, 상기 제2 저장매체를 상기 단일 패스(single-pass) 열교환기를 통하도록 흘려 상기 제2 저장매체를 층화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제1 팽창기 및 상기 제2 팽창기에 의해 출력된 에너지와 독립적으로 에너지를 출력하도록 배치된 추가적인 에너지 저장 수단을 더 포함할 수 있다. 추가의 에너지 저장 수단은 축전기, 배터리, 플라이휠 또는 다른 비열성 전기 또는 기계적 에너지 저장 수단을 포함할 수 있다.
상기 제1 배출모드 및/또는 상기 제2 배출모드에 의해 출력된 에너지가 소정 양에 도달할 때까지 상기 추가적인 에너지 저장 수단을 사용하여 전기 에너지의 출력을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 작동유체 및/또는 상기 제2 작동유체의 진입 전에 상기 제1 팽창기 및/또는 상기 제2 팽창기를 구동하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제1 팽창기의 입구에 연결된 제1 배관을 더 포함하고, 상기 방법은 상기 제1 배출모드의 작동 전에 가스 상태의 상기 제1 작동유체로 상기 제1 배관을 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 제2 팽창기의 입구에 연결된 제2 배관을 더 포함하고, 상기 방법은 상기 제2 배출모드의 작동 전에 가스 상태의 상기 제2 작동유체로 상기 제2 배관을 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제1 또는 제2 열역학적 회로 중 어느 하나 또는 랭킨 사이클(Rankine cycle), 로렌츠 사이클(Lorenz cycle) 또는 칼리나 사이클(Kalina cycle)을 포함할 수 있다.
제1 또는 제2 저장매체 중 어느 하나 또는 모두는 -50 ℃ 내지 200 ℃, 또는 -30 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 저장될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 더 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치의 상세도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치의 상세도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치의 상세도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치의 상세도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치의 상세도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치의 상세도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의해 이용될 수 있는 전력전자 장치의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치(100)가 도 1에 개략적으로 도시된다. 열역학적 사이클 장치(100)는 제1 저장매체를 수용하는 제1 저장조(2), 제2 저장매체를 수용하는 제2 저장조(3) 및 제1 저장매체를 냉각시키기 위해 제1 저장조(2)에 열적으로 결합된 저온측 및 제2 저장매체를 가열하기 위해 제2 저장조(3)에 열적으로 결합된 고온측을 갖는 히트펌프(1)를 포함한다.
본 발명의 추가 실시예(도 3 내지 도 8에 도시)에 관하여 아래에서 설명되는 바와 같이, 히트펌프(1)는, 냉동 압축기(19), 냉동 증발기(20), 냉동 응축기(21) 및 냉동 팽창 수단을 포함하는 냉동회로 일 수 있고, 냉동 팽창 수단은 냉동 팽창 밸브(22)(또는 냉매 팽창기)의 형태 일 수 있고 냉매를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 히트펌프(1)의 저온측은 냉동 증발기(20)를 포함할 수 있고, 히트펌프(1)의 고온측은 냉동 응축기(21)를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 히트펌프(1)는 대안적인 적절한 히트펌프를 포함할 수 있으며 도면을 참조하여 본 명세서에 설명된 특정 히트펌프에 반드시 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 냉동 회로의 냉동 응축기(21)는 가스 냉각기 일 수 있다.
열역학적 사이클 장치(100)는 제1 작동유체(23)가 흐르는 제1 열역학적 회로(4) 및 제2 작동유체(24)가 흐르는 제2 열역학적 회로(5)를 더 포함한다.
제1 열역학적 회로(4)는 제1 증발기(9), 제1 팽창기(6) 및 제1 응축기(7)를 포함한다. 도면에 도시된 비제한적인 실시예에서, 제1 열역학적 회로(4)는 제1 작동유체(23)를 펌핑하기 위한 제1 펌프(8)를 포함한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 제1 작동유체(23)를 순환시키고 제1 작동유체(23)를 가로지르는 압력차를 발생시키기 위한 다른 수단이 제공될 수 있다. 제1 증발기(9)는 제1 작동유체(23)를 증발시켜 제1 가압증기를 생성하도록 배치된다. 제1 팽창기(6)는 제1 가압증기를 수용 및 팽창시키도록 배치된다. 특정 실시예에서, 제1 팽창기(6)는 전기 에너지를 생산할 수 있는 발전 팽창기(expander generator)일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 제1 팽창기(6)는 다른 부품(예를 들어, 샤프트)에 기계적 작업을 제공하도록 배치될 수 있다. 특정 실시예에서, 제1 팽창기(6)는 축터빈, 반경터빈, 충동터빈(또는 다른 유형의 터빈), 스크롤 팽창기, 스크류 팽창기, 테슬라 터빈, 또는 왕복기관일 수 있다. 제1 응축기(7)는 제1 팽창기(6)로부터 전달된 제1 작동유체(23)를 응축시키고 제1 작동유체(23)를 제1 증발기(9)에 공급하여(도 1에 도시된 실시예에서 제1 펌프(8)를 통해), 제1 열역학적 회로(4)를 완성하도록 배치된다. 제1 응축기(7)는 제1 저장조(2)에 열적으로 결합되지만, 제1 작동유체(23)는 제1 저장조(2)에 수용된 제1 저장매체와는 구별된다.
제2 열역학적 회로(5)는 제2 증발기(14), 제2 팽창기(11) 및 제2 응축기(12)를 포함한다. 도면에 도시된 비제한적인 실시예에서, 제2 열역학적 회로(5)는 제2 작동유체(24)를 펌핑하기 위한 제2 펌프(13)를 포함한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 제2 작동유체(24)를 순환시키고 제2 작동유체(24) 내에서 압력차를 발생시키기 위한 다른 수단이 제공될 수 있다. 제2 증발기(14)는 제2 작동유체(24)를 증발시켜 제2 가압증기를 생성하도록 배치된다. 제2 증발기(14)는 제2 저장조(3)에 열적으로 결합되지만, 제2 작동유체(24)는 제2 저장조(3)에 수용된 제2 저장매체와는 구별된다. 제2 팽창기(11)는 제2 가압증기를 수용 및 팽창시키도록 배치된다. 특정 실시예에서, 제2 팽창기(11)는 전기 에너지를 생산할 수 있는 발전 팽창기(expander generator)일 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 팽창기(11)는 다른 부품(예를 들어, 샤프트)에 기계적 작업을 제공하도록 배치될 수 있다. 특정 실시예에서, 제2 팽창기(11)는 반경터빈, 축터빈, 충동터빈(또는 다른 유형의 터빈), 스크롤 팽창기, 스크류 팽창기, 테슬라 터빈 또는 왕복기관일 수 있다. 제2 응축기(12)는 제2 팽창기(11)로부터 전달된 제2 작동유체(24)를 응축시키고 제2 작동유체(24)를 제2 증발기(14)에 공급하도록(도 1에 도시된 실시예에서 제2 펌프(13)를 통해) 배치된다.
도 1의 열역학적 사이클 장치(100)는 보조열원(10)을 포함하며, 보조열원(10)은 보조열 입력수단을 통해 제1 열역학적 회로에 열적으로 연결됨에 따라, 보조열이 보조열원으로부터 제1 작동유체(23)로 전달되어 제1 가압증기의 생성에 기여할 수 있다. 보조열원(10)은 제1 작동유체(23)를 증발시키는 에너지를 제공한다. 특정 실시예에서, 보조열원(10)은 선택적으로 공기, 건물 또는 주거공간 내부로부터의 공기, 강류, 운하 수원(canal water source), 지하수원, 태양 연못(solar pond), 저수지 및 호수와 유사한 열원, 기존의 공조 또는 냉동회로에서 방출된 열, 혹은 매우 낮은 등급의 폐열과 같이 주변 혹은 환경적인 열원일 수 있는 풍부하고 자유롭게 접근 가능한 열원일 수 있다. 보조열원(10)으로부터 열이 일단 제거되면, 결과적인 냉각은 건물 또는 주거공간의 내부를 냉각시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 보조열원(10)이 건물 또는 주거공간 내의 공기인 경우, 공기로부터 열이 제거될 수 있고, 냉각된 공기는 건물 또는 주거공간의 내부로 되돌아가 에어컨 시스템처럼 작용할 수 있다.
또한, 도 1의 열역학적 사이클 장치(100)는 보조 히트싱크(15)로 제2 작동유체(24)의 열이 손실되도록 보조열 출력수단을 통해 제2 열역학적 회로(5)에 열적으로 연결된 보조 히트싱크(15)를 포함한다. 보조열 입력수단 및/또는 보조열 출력수단은 열교환기일 수 있고 혹은 제1 및 제2 작동유체(23,24)와 보조열원(10) 및 보조 히트싱크(15) 사이에서 각각 열 에너지를 전달하는 다른 임의의 적절한 수단일 수 있다. 보조 히트싱크(15)는 열이 제2 팽창기(11)를 빠져나간 후 제2 작동유체(24)로부터 방출되도록 하는 수단을 제공하며, 이러한 열 손실은 제2 작동유체(24)의 응축에 기여한다(최소한 부분적으로라도). 어떤 바람직한 실시예에서, 보조 히트싱크(15)는 이상적으로 가능한 낮은 온도이고 열흡수를 위한 큰 용량을 갖는다. 적절한 보조 히트싱크(15)의 예는, 제한되는 것은 아니나, 공기, 건물 또는 주거공간 내부로부터의 공기, 강류, 운하 수원(canal water source), 지하수원 및 저수지와 호수 등과 같은 주변 또는 환경 열원일 수 있다. 건물 또는 주거공간 내부로부터의 공기가 보조 히트싱크(15)로서 사용되는 실시예에서, 공기는 연속적으로 가열되고 건물 또는 주거공간으로 되돌아와 그 내부를 가열할 수 있다. 이러한 실시예에서, 열역학적 사이클 장치(100)는 부분적으로 건물 또는 주거공간의 가열기로서 작용할 수 있다.
특정 실시예에서, 제1 열역학적 회로(4)는, 제2 열역학적 회로(5)와 그 사이에 열교환을 위한 수단이 제공되지 않을 정도로 제2 열역학적 회로(5)와 열적으로 독립적이다.
열역학적 사이클 장치(100)는 충전모드, 저장 모드 및 배출모드로 작동 가능하다. 충전모드에서, 히트펌프(1)는 제1 저장조(2) 내의 제1 저장매체를 냉각시키고 제2 저장조(3) 내의 제2 저장매체를 가열하도록 동력을 공급받는다. 즉, 히트펌프(1)를 작동시키기 위한 에너지(예를 들어, 전기적 및/또는 기계적)가 공급된다. 히트펌프(1)에 제공되는 에너지는 장치(100)에 의해 저장될 에너지이다. 저장 모드에서, 냉각된 제1 저장매체는 제1 저장조에 저장되고 가열된 제2 저장매체는 제2 저장조에 저장된다. 제1 및/또는 제2 저장조(2,3)는 저장 모드 동안 열 손실을 감소시키기 위해 열적으로 절연될 수 있다. 배출모드에서, 제1 가압증기는 제1 팽창기(6)에 의해 팽창되고 및/또는 제2 가압증기는 제2 팽창기(11)에 의해 팽창된다. 즉, 에너지는 충전모드에서 열역학적 사이클 장치(100)로 입력되고, 저장모드에서 저장되며, 필요할 경우, 제1 팽창기(6) 또는 제2 팽창기(11) 중 어느 하나 또는 모두를 작동시킴으로써 배출모드에서 배출될 수 있다. 즉, 제1 배출모드는 제1 저장조(2)의 배출을 허용할 수 있고(제1 열역학 회로(4), 특히 제1 팽창기 (6)를 작동시킴), 제2 배출모드는 제2 저장조(3)의 배출을 허용할 수 있으며 (제2 열역학 회로 (5), 특히 제2 팽창기 (11)를 작동시킴), 제1 배출 모드 및 제2 배출 모드는 함께 또는 개별적으로 작동될 수 있다. 제1 팽창기(6) 및/또는 제2 팽창기(11)가 발전 팽창기(expander generator)인 경우, 전기 에너지가 열역학적 사이클 장치(100)로부터 회수될 수 있다. 다른 실시예에서, 에너지는 상이한 형태(예컨대, 기계적 에너지)로 회수될 수 있다.
제1 응축기(7)와 제1 저장조(2) 사이의 열적 결합은, 제1 저장조(2)의 온도에 의해 제1 열역학적 회로(4)의 하한 온도(lower temperature)가 결정되도록 한다. 제1 저장조(2)는 충전모드에서 히트펌프에(1)에 의해 냉각되기 때문에, 저온의 제1 저장조(2)는 제1 배출모드에서 제1 작동유체(23)의 응축을 돕는다. 보조열원(10)은 제1 작동유체(23)를 증발시키기 위한 에너지를 제공하고, 도 1의 실시예에서 제1 열역학적 회로(4)의 상한 온도(upper temperature)를 결정한다.
제2 저장조(3)와 제2 증발기(14) 사이의 열적 결합은 열이 제2 저장조(3)로부터 제2 증발기(14)로 전달되도록 하여 제2 배출모드에서 제2 작동유체(24)의 증발을 돕는다. 도 1에 도시된 실시예에서, 제2 열역학적 회로(5)의 상한 온도(upper temperature)는 제2 저장조(3)의 온도(충전모드에서 작동할 때 히트펌프(1)에 의해 증가)에 의해 결정될 것이다. 제2 열역학적 회로(5)의 하한 온도(lower temperature)는 보조 히트싱크(15)에 의해 결정된다.
제1 열역학적 회로(4) 및/또는 제2 열역학적 회로(5)는 랭킨 사이클, 로렌츠 사이클 또는 칼리나 사이클을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 열역학 사이클의 작동을 허용하기 위한 회로를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 1의 열역학적 사이클 장치(100)의 변형 예인 장치(200)를 도시한다. 도 2의 장치(200)는 도 1의 장치(100)와 동일하지만 제1 과열기(16), 제2 예열기(17) 및 제2 과열기(18)를 더 포함한다.
제1 과열기(16)는 제1 열역학적 회로(4)의 제1 증발기(9)와 제1 팽창기(6) 사이에 배치된다. 제1 과열기(16)는 제1 작동유체(23)가 제1 증발기(9)를 떠나 제1 팽창기(6)에 의해 팽창되기 전에 제1 작동유체(23)에 열을 제공하도록 배치된다. 제1 과열기(16)에 의해 제공되는 열은 폐열 또는 2차 열원일 수 있다.
제2 예열기(17)는 제2 열역학적 회로(5)의 제2 응축기(12)와 제2 증발기(14) 사이(보다 구체적으로는 제2 펌프(13)와 제2 증발기(14) 사이)에 배치된다. 제2 예열기(17)는 제2 증발기(14)로 들어가기 전에 제2 작동유체(24)를 예열하도록 배치된다. 제2 예열기(17)에 의해 제공되는 열은 폐열 또는 2차 열원일 수 있다.
제2 과열기(18)는 제2 열역학적 회로(5)의 제2 증발기(14)와 제2 팽창기(11) 사이에 배치된다. 제2 과열기(18)는 제2 작동유체(24)가 제2 증발기(14)를 떠나 제2 팽창기(11)에 의해 팽창되기 전에 제2 작동유체(24)에 열을 제공하도록 배치된다. 제2 과열기(18)에 의해 제공되는 열은 폐열 또는 2차 열원 일 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예가 도 3 내지 도 9를 참조하여 아래에서 설명된다. 설명되는 모든 실시예에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소 및 특징에 대응된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치(300)를 도시한다. 도 3의 실시예에서, 캡슐화된 상변화물질(PCM; Phase Change Materials)은 각각 제1 및 제2 저장조(2, 3)에서 제1 및 제2 저장매체로서 이용된다. PCM은 PCM이 액체에서 고체로 또는 그 반대로 상을 변화할 경우 비교적 일정한 온도에서 열을 저장하거나 잃을 수 있다.
제1 저장조(2) 내의 제1 PCM(“저온측”)은 캡슐화된 상변화물질이며, 제1 작동유체(23)는 PCM과 직접 접촉하지 않고, 작동 중에 PCM은 제1 저장조(2)로부터 유실되지 않는다. 캡슐화는 제1 작동유체(23)와 PCM 물질(예를 들어 다중 캡슐화된 구, 평판, 적층된 튜브(stacks of tubes), 허니콤(honeycomb) 등)의 양호한 열적 접촉을 허용하고, 작동 중 제1 저장조(2)를 통하는 제1 작동유체(23)의 유동을 현저하게 방해하지 않도록 구성된다. 이 실시예에서, 제1 저장조(2)는 제1 응축기(7)로서도 작용한다.
충전모드로 작동하기 전에, 밸브(27)는 제1 펌프(8)가 작동될 때 제1 작동유체(23)를 제1 저장조(2)로부터 냉동 증발기(20)로 전환시키도록 설정된다. 제1 저장조(2)가 이전 작동 중에 완전히 비워진다면(즉, 제1 배출모드의 작동에 의해)이 단계에서 저온 측 PCM은 완전히 용융될 것이고 일부 구성에서는 융점보다 약간 높을 수 있지만, 바람직하게는 융점에 있게 된다.
제2 저장조(3) 내의 제2 PCM("고온측")은 캡슐화된 상변화물질이며, 제2 작동유체(24)는 PCM과 직접 접촉하지 않고, PCM은 작동 중에 제2 저장조(3) 로부터 유실되지 않는다. 캡슐화는 제2 작동유체(24)의 PCM 물질(예를 들어 다중 캡슐화된 구, 평판, 적층된 튜브(stacks of tubes), 허니콤(honeycomb) 등)로의 양호한 열적 접촉을 허용하고, 작동 중에 제2 저장조(3)를 통하는 제2 작동유체(24)의 유동을 현저하게 방해하지 않는 방식으로 구성된다. 이 실시예에서, 제2 저장조(3)는 또한 제2 증발기(14)로서도 작용한다.
충전모드가 작동되기 전에, 선택적 차단밸브(40 및 42)가 개방될 수 있고(존재한다면), 선택적 차단밸브(41 및 43)는 폐쇄될 수 있다(존재한다면). 선택적 3 방향 밸브(32 및 33)는 제2 작동유체(24)를 제2 저장조(3)로부터 냉동 응축기(21)로 전환하거나, 또는 열교환기(31)를 통해 추가적 열원을 사용할 경우 제2 저장조(3)로부터 적절한 위치로 전환되도록 설정될 수 있다(펌프(29)가 작동되어 제2 작동유체(24)를 순환시키는 경우). 제2 저장조(3)가 이전 작동 동안 완전히 비워지고(즉, 제2 배출모드의 작동에 의해) 열교환기(31)를 통해 추가 열이 가해지지 않은 경우, 이 단계에서 고온측 PCM은 완전히 고체가 될 수 있다. 고온측 PCM은 바람직하게는 융점에 있을 수 있고 일부 구성에서는 융점 이하일 수 있다.
충전모드로 작동할 때, 히트펌프(1)는 전기 또는 기계식 에너지 공급원에 연결되고, 냉동 압축기(19)를 구동하도록 에너지가 공급된다. 이는 히트펌프(1) 내의 가스 냉매를 가압하고, 냉동 응축기(21)에 유입되기 전에 가스 냉매의 온도를 상승시킨다. 결과적으로, 냉동 응축기(21)의 타측을 통해 펌프(29)에 의해 순환되는 제2 작동유체(24)에 열이 공급된다. 제2 작동유체(24)에 열을 뺏김으로써, 냉매는 액상으로 응축된다. 그 다음, 액상 냉매는 액상 냉매의 압력을 낮추고 그에 따라 끓는점을 낮추는 팽창 밸브(22)로 진입한다. 냉매 증발기(20)에 유입된 냉매는 펌프(8)를 통해 냉매 증발기(20)의 타측을 통하도록 순환되는 제1 작동유체(23)로부터 열을 추출할 때 끓게 된다.
필수적이지는 않지만 바람직하게는, 저온측 PCM이 모두 응고될 때까지 장치(300)는 충전모드로 작동한다. 이는 제1 작동유체(23)로부터 추출된 열이 더 이상 저온측 PCM의 융해 잠열로부터 비롯되지 않음에 따른 제1 작동유체(23)의 현저한 온도 감소에 의해 검출될 수 있다.
필수적이지는 않지만, 모든 저온측 PCM이 고체화될 때, 모든 고온측 PCM이 동시에 용융되도록 제2 저장조(3) 내의 고온측 PCM 질량을 조정할 수 있다. 특정 실시예들에서(예를 들어, 선택적인 폐열 저장 및 대안 열원들로부터의 회수를 위해), 고온측 PCM의 질량은, 어떤식으로든 시스템 성능에 영향을 주지 않으면서 "조정" 값을 초과할 수 있다.
특정 실시예에서, 충전모드는 저온측 PCM에 “합리적인 냉각”을 제공하는 데 에너지가 사용되지 않는 모든 저온측 PCM이 고체가 되는 시점 또는 그 전에 작동이 중단된다. 이러한 방식으로, 단일 작동 지점 주위에서 히트펌프(1) 설계 및 냉매 선택이 최적화되는 것을 가능하게 하면서 고정된 온도차 및 그에 따른 성능 계수가 히트펌프(1)의 전체에서 유지될 수 있다.
장치(300)가 저장 모드로 작동될 때, 히트펌프(1)는 작동하지 않으며 제1 열역학적 회로(4)의 어떤 구성 요소도 작동하지 않는다.
장치(300)가 추가적인 열원을 회수하지 않고 에너지 저장 시스템으로서 순전히 작동하는 경우, 제2 열역학적 회로(5) 내의 어떤 구성 요소도 작동하지 않는다.
추가적인 열원이 이용 가능한 경우, 선택적 3 방향 밸브(32 및 33)를, 펌프(29)가 제2 작동유체(24)를 열교환기(31)를 통하도록 전환시키도록 조절함에 따라 저장 모드 동안 연속적, 혹은 간헐적으로 열원을 사용하도록 하여 제2 저장조(3)는 계속해서 채워질 수 있다.
시스템의 저온측 및 고온측의 배출은 국부 전력 요건에 따라 독립적으로 또는 동시에 수행될 수 있다. 즉, 제1 배출모드는 제1 저장조(2)의 배출을 허용할 수 있고, 제2 배출모드는 제2 저장조(3)의 배출을 허용할 수 있다. 제1 및 제2 팽창기(6, 11)는 각각의 배출모드의 작동 전에 정지될 수 있으며, 또는 제1 작동유체(23) 및 제2 작동유체(24)가 도입되기 전에 작동 속도가 되도록 모터 구동될 수 있다. 특정한 순시 전력을 필요로 하는 실시예에서, 순시 전력은 즉각적인 공급을 제공하기 위해 드라이브/전력 전자 장치(52)에 포함될 수 있는 용량성 저장장치(capacitive storage)(53)의 사용에 의해 충족될 수 있다(도 10 참조). 대안적인 실시예에서, 예를 들어 기계적 또는 전기적일 수 있는 다른 부가적인 비열성 에너지 저장 수단이 제공될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 비열성 에너지 저장 수단은 플라이휠(flywheel) 또는 배터리일 수 있다.
제1 배출모드의 작동 이전에, 3방향 밸브(27)는 펌프(8)가 제1 작동유체(23)가 제1 증발기(9)를 통하는 방향으로 전환되도록 조절된다.
제1 배출모드의 작동 시에, 펌프(8)는 제1 작동유체(23)를 제1 저장조(2)로부터 제1 증발기(9)로 펌핑하여 열원에 의해 가열 및 증발되도록 한다. 특정한 비제한적인 실시예에서, 제1 증발기(9)에 열적으로 연결된 열원은 주위 또는 환경 열원 일 수 있다. 제1 작동유체(23)는 선택적 열교환기(36)(존재한다면)를 통과하여 제2 작동유체(24)가 제2 팽창기(11)를 빠져나갈 때(제2 배출모드도 작동되는 경우) 제2 작동유체(24)로부터 잔여열을 전달받는다. 이는 기체 상태의 제1 작동유체(23)를 추가로 가열할 수 있고(예를 들어 과열), 혹은 대안적으로, 제1 팽창기(6)로의 진입에 앞서, 열교환기(36) 내로 액체/증기 레벨을 밀어 넣음으로써(열역학적으로 유리한 경우) 제1 작동유체(23)의 증발점을 상승시키는 데 사용될 수 있다.
제1 팽창기(6)로의 진입에 앞서, 제1 작동유체(23)는 추가적인 열원(30)이 이용 가능하다면 선택적 열교환기인 제1 과열기(16)를 통과할 수 있다. 이는 기체 상태의 제1 작동유체(23)를 추가로 가열할 수 있고(예를 들어 과열), 혹은 대안적으로, 제1 팽창기(6)로의 진입에 앞서, 선택적 열교환기인 제1 과열기(16)내로 액체/증기 레벨(level)을 밀어 넣음으로써(열역학적으로 유리한 경우) 제1 작동유체(23)의 증발점을 상승시키는 데 사용될 수 있다.
기체 상태의 제1 작동유체(23)는 제1 팽창기(6)로 들어가고, 제1 팽창기(6)를 가로지르는 압력차(제1 저장조 (2)의 응축 압력 및 제1 작동유체 (23)를 증발시키는 데 사용되는 열원에 의한)로 인해 제1 작동유체(23)가 팽창함에 따라 제1 팽창기(6)를 구동 시켜, 제1 증발기(9)(선택적으로 열교환기 36,16)의 열원으로부터 추출된 에너지를 전기적 또는 기계적 에너지로 변환시킨다.
제1 작동유체(23)는 기체 상태로 제1 팽창기(6)를 빠져나와 제1 저장조(2)로 되돌아 가서 캡슐화된 저온측 PCM과 접촉하게 되고 저온측 PCM이 응축을 위한 잠열을 흡수함에 따라 응축된다. 이 과정은, 제1 저장조(2)가 비워짐에 따라 저온측 PCM을 점차적으로 용융시킨다.
제1 배출 모드의 작동은 저온측 PCM을 부분적으로 또는 완전히 용융 시키도록 진행될 수 있고, 여전히 다음의 충전모드가 저온측 PCM이 여전히 어는점에 있을 때 작동이 개시되도록 할 수 있다. 대안적으로, 여전히 충분한 전력이 생성될 수 있다면, 모든 저온측 PCM이 용융되는 시점 이후까지 제1 배출 모드를 계속 작동시키는 것이 바람직할 수 있다. 이는 히트펌프(1)가 충전모드의 다음 작동 동안 온도 범위(temperature range)에 걸쳐 작동할 것임을 의미한다. 어느 경우에나, 저온측 PCM이 완전히 용융되었음은 제1 저장조(2)에 있는 또는 제1 저장조(2)에서 배출되는 제1 작동유체(23)의 온도 상승을 측정함으로써 검출될 수 있다.
제2 배출모드를 작동하기 전에, 선택적 차단밸브(41 및 43)가 개방될 수 있다(존재한다면). 제2 배출모드의 작동 중에 열교환기(31)를 통한 추가적인 열 유입이 없다면 제1 선택적 차단 밸브(40 및 42)가 폐쇄될 수 있다(존재한다면). 추가의 열원이 이용 가능한 경우, 제2 저장조(3)는 선택적 3 방향 밸브(32 및 33)를 제어함으로써 계속적으로 충전될 수 있다.
특히, 선택적 3 방향 밸브(32 및 33)는 펌프(29)의 작동이 제2 작동유체(24)가 열교환기(31)로 통하도록 전환시키도록 조절될 수 있다(제1 선택적 차단 밸브(40 및 42)는 개방된 상태로 유지될 수 있다). 이는 제2 배출모드의 작동 중에 연속적인(선택적인) 열원을 사용하므로 히트펌프(1)의 작동없이 제2 저장조(3)의 동시적인 충전 및 배출을 가능하게 한다.
제2 배출모드의 작동 시, 밸브(41)의 개방은 제2 작동유체(24)가 고온측 PCM의 용융점(혹은 비슷한 온도)에 의해 설정된 압력에서 포화상태로 저장된 제2 저장조(3)에서의 압력 강하를 생성한다. 이러한 방식으로 압력을 강하시키면 제2 작동유체(24)가 끓게 되어 고온측 PCM으로부터 열을 추출하여 제2 작동유체(24)의 기화 잠열을 극복할 수 있다.
추가적인 열원이 이용 가능한 경우, 기체 상태의 제2 작동유체(24)는 제2 저장조(3)에서 나와 제2 팽창기(11)로 들어가기 전에, 선택적 열교환기인 제2 과열기(18)를 통과할 수 있다. 이는 기체 상태의 제2 작동유체(24)를 추가로 가열할 수 있고(예를 들어 과열) 혹은 대안적으로, 제2 팽창기(11)로의 진입에 앞서, 선택적 열교환기인 제2 과열기(18) 내로 액체/증기 레벨을 밀어 넣음으로써(열역학적으로 유리한 경우) 제2 작동유체(24)의 증발점을 상승시키는 데 사용될 수 있다.
기체 상태의 제2 작동유체(24)는 제2 팽창기(11)로 들어가고, 제2 팽창기(11)를 가로지르는 압력차(제2 저장조 (3)의 응축 압력 및 제2 작동유체 (24)를 증발시키는 데 사용되는 열원에 의한)로 인해 제2 작동유체(23)가 팽창함에 따라 제2 팽창기(11)를 구동 시켜, 제2 저장조(3)(선택적으로 제2 과열기(18))의 열원으로부터 추출된 에너지를 전기 또는 기계적 에너지로 변환시킨다.
제2 작동유체(24)는 제2 팽창기(11)를 빠져나갈 때 여전히 기체 상태이며, 제1 작동유체(23)에 열역학적으로 유리할 수 있는 잔류열을 교환할 수 있는 선택적 열교환기(36)로 진입할 수 있다(제1 배출모드가 작동되는 경우). 제1 열역학적 회로(4)가 제2 열역학적 회로(5)와 열적으로 독립적인 실시예에서 선택적 열교환기(36)는 존재하지 않는다.
제2 작동유체(24)는 보조 히트싱크(15)에 의해 응축되는 제2 응축기(12)(보조열 출력수단으로서 작용)에 진입한다.
대안적으로, 열역학적으로 유리하다면, 장치(300)는 제2 작동유체(24)가 선택적 열교환기(36)에서 응축된 후 제2 응축기(12)에서 과냉각되도록 구성될 수 있다.
응축된 고온측 작동유체(24)는 펌프(13)의 흡입 측으로 유입되고, 가능한 경우 대체/폐열 공급원(30)이 작동유체(24)를 예열하는 선택적 열교환기인 제2 예열기(17)를 통해 고온측 열 저장조(3)로 다시 펌핑된다. 이 과정은 고온측 작동유체(24)가 증발하면서 고온측 PCM의 열을 흡수하여 고온측 PCM을 점차적으로 응고시키도록 계속된다.
제2 배출 모드의 작동은 고온측 PCM을 부분적으로 또는 완전히 고체화시키도록 진행될 수 있고, 여전히 다음의 충전모드 작동이 고온측 PCM이 여전히 용융점에 있을 때 개시되도록 하거나, 또는 경우에 따라서는 충분한 전력이 여전히 발생될 수 있을 때, 모든 고온측 PCM이 응고되는 시점 이후까지 제2 배출 모드를 작동시키는 것이 바람직할 수 있다. 후자의 경우, 히트펌프(1)가 충전모드의 다음 작동 동안 온도 범위(temperature range)에 걸쳐 작동할 것임을 의미한다. 어느 경우 에나, 고온측PCM이 완전히 응고되었음은 제2 저장조(3)에 있는 또는 제2 저장조(3)에서 배출되는 제2 작동유체(24)의 온도 저하를 측정함으로써 검출될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치(400)를 도시한다.
제1 열전달유체(25)는 히트펌프(1)와 제1 저장조(2) 및 제1 저장조(2)와 제1 응축기(7) 사이의 열적 결합 및 열교환을 위해 사용된다. 또한, 제2 열전달유체(28)는 히트펌프(1)와 제2 저장조(3) 및 제2 저장조(3)와 제2 증발기(14) 사이의 열적 결합 및 열교환을 위해 사용된다. 제1 및 제2 열전달유체(25,28)는 열전달 회로를 형성한다. 대안적인 실시예에서, 하나 이상의 개별적인 열전달 회로(예를 들어, 각각 별도의 열전달유체를 가지는 회로)는 히트펌프(1)와 제1 저장조(2), 제1 저장조(2)와 제1 응축기(7), 히트펌프(1)와 제2 저장조(3), 또는 제2 저장조(3) 와 제2 증발기(14) 중 임의의 하나를 열적으로 결합시키는데 이용될 수 있다.
제1 저장조(2) 내의 저온측 PCM은 캡슐화된 상변화물질이며, 제1 열전달유체(25)는 PCM과 직접 접촉하지 않으며, 작동 중 PCM은 제1 저장조(2) 밖으로 유실되지 않는다.
캡슐화는 제1 열전달유체(25)와 PCM 물질(예를 들어 다중 캡슐화된 구, 평판, 적층된 튜브(stacks of tubes), 허니콤(honeycomb) 등)의 양호한 열적 접촉을 허용하고, 작동 중 제1 저장조(2)를 통하는 제1 열전달유체(25)의 유동을 현저하게 방해하지 않는 방식으로 구성된다.
충전모드로 작동하기 전에, 밸브(27)는 펌프(26)가 작동될 때 제1 열전달유체(25)를 제1 저장조(2)로부터 히트펌프 증발기(20)로 전환시키도록 설정된다. 저온측 PCM은 이 단계에서(제1 저장조(2)가 이전 배출 모드의 작동 동안 완전히 비워진 경우, 즉 제1 배출 모드의 작동 중) 완전히 용융될 것이고, 일부 구성에서는 융점보다 약간 높을 수 있지만, 바람직하게는 융점에 있게 된다.
제2 저장조(3) 내의 고온측 PCM은, 제2 열전달유체(28)가 PCM과 직접 접촉하지 않고 PCM이 작동 중에 제2 저장조(3) 밖으로 유실되지 않도록 캡슐화된 PCM이다. 캡슐화는 제2 열전달유체(28)가 PCM 물질(예를 들어 다중 캡슐화된 구, 평판, 적층된 튜브(stacks of tubes), 허니콤(honeycomb) 등)에 양호하게 열적 접촉할 수 있도록 하고 작동 중 제1 저장조(3)를 통하는 제2 열전달유체(28)의 흐름을 크게 방해하지 않도록 구성된다.
충전모드가 작동되기 전에, 선택적 차단밸브(40 및 42)가 개방될 수 있고(존재한다면), 선택적 차단밸브(41 및 43)는 폐쇄될 수 있다(존재한다면). 선택적 3 방향 밸브(32 및 33)는 제2 열전달유체(28)를 냉동 응축기(21)로 전환하거나 또는 열교환기(31)를 통해 추가적 열원을 사용할 경우, 펌프(29)가 작동되어 제2 저장조(3)로부터 적절한 위치로 전환되도록 설정될 수 있다. 이 단계에서(제2 저장조(3)가 배출모드의 이전 동작 중에 완전히 비워진 경우, 즉 제2 배출 모드의 동작 중) PCM은 완전히 고체가 될 것이고, 열교환기(31)를 통해 추가 열이 가해지지 않는다. 고온측 PCM은 일부 구성에서는 융점 이하일 수 있지만, 바람직하게는 융점에 있게 된다.
충전모드로 작동할 때, 히트펌프(1)는 냉동 압축기(19)를 구동하도록 에너지가 공급된다 (예를 들어, 전기 또는 기계적 에너지 공급 장치에 연결되어). 이는 냉동 응축기(21)에 들어가기 전에 히트펌프(1) 내의 기체 상태의 냉매를 가열 및 가압한다. 결과적으로, 냉동 응축기(21)의 타측을 통하도록 펌프(29)에 의해 순환되는 제2 열전달유체(28)에 열이 공급된다. 제2 열전달유체(28)에 열을 뺏김으로써, 히트펌프 냉매가 액상으로 응축되고 그 후 팽창 밸브(22)로 진입한다. 이는 압력 및 그에 따른 끓는점을 하강시킨다. 냉동 증발기(20)로 들어가는 냉매는 펌프(26)를 통해 냉동 증발기(20)의 타측을 통하도록 순환되는 제1 열전달유체(25)로부터 열을 추출함에 따라 끓게 된다.
충전모드의 동작은 바람직하게(반드시는 아니지만) 모든 저온측PCM이 응고될 때까지 계속될 수 있다. 이는 제1 저장조(2)로부터 추출된 열이 더 이상 저온측 PCM의 융해 잠열로부터 비롯되지 않음에 따른 제1 열전달유체(25)의 온도 하강에 의해 검출될 것이다.
특정 바람직한 실시예에서, 제2 저장조(3) 내의 고온측 PCM의 질량은, 저온측 PCM 이 모두 응고되는 경우와 모든 고온측 PCM이 용융되는 경우가 일치하도록 조정될 수 있다. 실용적인 측면에서, 대안적인 열원으로부터 선택적인 폐열 회수를 위해, 고온측PCM의 질량은 어떤식으로든 시스템 성능에 영향을 주지 않으면서 이 조정 값을 초과할 수 있다.
특정 실시예에서, 충전모드는 저온측 PCM에 “합리적인 냉각”을 제공하는 데 에너지가 사용되지 않는 모든 저온측 PCM이 고체가 되는 시점 또는 그 전에 작동이 중단된다. 이러한 방식으로, 단일 작동 지점 주위에서 히트펌프(1) 설계 및 냉매 선택이 최적화되는 것을 가능하게 하면서 고정된 온도차 및 그에 따른 성능 계수가 히트펌프(1)의 전체에서 유지될 수 있다.
특정 실시예에서, 저장 모드의 작동 중에, 히트펌프(1)는 작동되지 않을 수 있고, 제1 열역학적 회로(4)의 어떠한 구성 요소도 작동되지 않을 수 있다.
장치(400)가 추가적인 열원의 회수가 없는 에너지 저장 시스템으로서 순전히 작동하는 경우, 제2 열역학적 회로(5)의 구성 요소도 작동될 필요가 없다.
추가적인 열원이 이용 가능한 경우, 선택적3방향 밸브(32 및 33)를, 펌프(29)가 제2 열전달유체(25)를 전환하여 열교환기(31)를 통하도록 전환하도록 배치함에 따라 저장 모드 동안 연속적, 혹은 간헐적으로 열원을 사용하도록 하여 제2 저장조(3)는 계속해서 채워질 수 있다.
도 3과 관련하여 전술한 실시예와 같이, 제1 및 제2 열역학적 회로(4, 5)의 배출은 국부 전력 요건에 따라 독립적으로 또는 동시에 수행될 수 있다. 즉, 제1 배출모드는 제1 열역학적 회로(4)의 배출을 허용할 수 있고, 제2 배출모드는 제2 열역학적 회로(5)의 배출을 허용할 수 있다. 제1 및 제2 팽창기(6, 11)는 각각의 배출모드의 작동 전에 정지될 수 있으며, 또는 제1 작동유체(23) 및 제2 작동유체(24)가 도입되기 전에 작동 속도가 되도록 모터 구동될 수 있다.
특정한 순시 전력을 필요로 하는 실시예에서, 즉각적인 공급을 제공하기 위해 용량성 저장장치(capacitive storage)(53)가 드라이브/전력 전자 장치(52)에 포함될 수 있다(도 10 참조). 다른 대안적인 실시예에서, 예를 들어 기계적 또는 전기적일 수 있는 다른 부가적인 비열성 에너지 저장 수단이 제공될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 비열성 에너지 저장 수단은 플라이휠 또는 배터리일 수 있다.
제1 배출모드의 작동 이전에, 3방향 밸브(27)는 펌프(26)의 작동이 제1 열전달유체(25)를 전환하여 제1 응축기(7)를 통하도록 조절된다.
제1 배출모드의 작동시에, 펌프(8)는 제1 작동유체(23)를 제1 증발기(9)로 펌핑하여 열원에 의해 가열 및 증발되도록 한다. 특정한 비제한적인 실시예에서, 열원은 주위 또는 환경 열원일 수 있다. 제1 작동유체(23)는 선택적 열교환기(36)(존재한다면)를 통과하여 제2 작동유체(24)가 제2 팽창기(11)를 빠져나갈 때(제2 배출모드가 작동되는 경우) 제2 작동유체(24)로부터 잔여열을 전달받는다. 이는 기체 상태의 제1 작동유체(23)를 추가로 가열할 수 있고(예를 들어 과열), 혹은 대안적으로, 제1 팽창기(6)로의 진입에 앞서, 열교환기(36) 내로 액체/증기 레벨을 밀어 넣음으로써(열역학적으로 유리한 경우) 제1 작동유체(23)의 증발점을 상승시키는 데 사용될 수 있다.
제1 팽창기(6)로 진입하기 전에, 제1 작동유체(23)는 추가적인 열원(30)이 이용 가능한 경우, 선택적 열교환기인 제1 과열기(16)를 통과할 수 있다. 이는 기체 상태의 제1 작동유체(23)를 추가로 가열할 수 있고(예를 들어 과열), 혹은 대안적으로, 제1 팽창기(6)로의 진입에 앞서, 선택적 열교환기인 제1 과열기(16) 내로 액체/증기 레벨을 밀어 넣음으로써(열역학적으로 유리한 경우) 제1 작동유체(23)의 증발점을 상승시키는 데 사용될 수 있다.
기체 상태의 제1 작동유체(23)는 제1 팽창기(6)로 진입하고, 제1 응축기(7)의 응축 압력 및 제1 작동유체 (23)를 증발시키는 데 사용되는 열원에 의한 제1 팽창기(6)를 가로지르는 압력차로 인해 제1 작동유체(23)가 팽창함에 따라 제1 팽창기(6)를 구동 시켜, 제1 증발기(9)(선택적으로 열교환기 36,16)의 열원으로부터 추출된 에너지를 전기 또는 기계적 에너지로 변환시킨다.
제1 작동유체(23)는 여전히 기체 상태로 제1 팽창기(6)를 빠져나가고 제1 응축기(7)로 들어간다. 펌프(26)는 제1 열전달유체(25)를 제1 저장조(2)로부터 제1 응축기(7)로 펌핑한다. 이는 제1 열전달유체(25)가 제1 작동유체(23)로부터 열을 흡수함에 따라 제1 작동유체(23)를 응축시키는 제1 저장조(2)와 제1 작동유체(23)를 열 접촉 상태로 놓는다. 응축된 제1 작동유체(23)는 그 후 선택적으로 버퍼 저장부(37)(존재한다면)에 먼저 진입할 수 있고, 펌프(8)로 들어가거나 또는 사이클이 계속되도록, 다시 한번 더 펌프(8)로 바로 흡입될 수 있다. 제1 응축기(7)를 떠나는 제1 열전달유체(25)는 제1 저장조(2)로 복귀되고, 제1 저장조(2)에서 저온측 PCM과 열을 교환하고, 제1 배출모드가 작동될 때 점차적으로 저온측PCM의 용융을 일으킨다.
제1 배출 모드의 작동은 저온측 PCM을 부분적으로 또는 완전히 용융 시키도록 진행될 수 있고, 여전히 다음의 충전모드가 저온측 PCM이 여전히 어는점에 있을 때 작동이 개시되도록 할 수 있다. 대안적으로, 여전히 충분한 전력이 생성될 수 있다면, 모든 저온측 PCM이 용융되는 시점 이후까지 제1 배출 모드를 계속 작동시키는 것이 바람직할 수 있다. 이는 히트펌프(1)가 충전모드의 다음 작동 동안 온도 범위(temperature range)에 걸쳐 작동할 것임을 의미한다. 어느 경우에나, 저온측 PCM이 완전히 용융되었음은 제1 저장조(2)에 있는 또는 제1 저장조(2)에서 배출되는 제1 열전달유체(25)의 온도 상승을 측정함으로써 검출될 수 있다.
제2 배출모드를 작동하기 전에, 선택적 차단밸브(41 및 43)가 개방될 수 있다(존재한다면). 제2 배출모드의 작동 중에 열교환기(31)를 통한 추가적인 열 유입이 없다면 제1 선택적 차단 밸브(40 및 42)가 폐쇄될 수 있다(존재한다면). 추가의 열원이 이용 가능한 경우, 제2 배출모드의 작동 중에 연속적인 열원을 이용하기 위해 선택적 3 방향 밸브(32 및 33)를 펌프(29)가 제2 작동유체(24)가 열교환기(31)를 통하도록 전환시키도록 작동하게끔 조절하고, 차단 밸브(40 및 42)를 개방시킴으로써 제2 저장조(3)는 계속적으로 충전될 수 있다. 이는 히트펌프(1)의 작동없이 제2 저장조(3)의 충전 및 제2 배출모드의 작동을 동시에 허용한다.
제2 배출모드의 작동 시, 펌프(39)는 제2 열전달유체(28)를 제2 저장조(3)로부터 제2 증발기(14)로 순환시키도록 작동된다. 제2 증발기(14)를 빠져나갈 때 제2 열전달유체(28)는 제2 저장조(3)로 돌아가 연속적인 순환을 가능하게 한다. 펌프(13)는 제2 작동유체(24)를 제2 증발기(14)의 타측으로 펌핑하도록 작동되고, 제2 증발기(14)의 타측에서 제2 작동유체(24)는 제2 열전달유체(28)로부터의 열을 사용하여 증발된다.
제2 작동유체(24)는 제2 증발기(14)를 빠져나오며, 제2 팽창기(11)로 들어가기 전에 추가/폐열 공급원(30)이 이용 가능한 경우 선택적 열교환기인 제2 과열기(18)를 통과할 수 있다. 이는 기체 상태의 제2 작동유체(24)를 추가로 가열(예를 들어, 과열)하거나 혹은 대안적으로, 제2 팽창기(11)로의 진입에 앞서, 선택적 열교환기인 제2 과열기(18) 내로 액체/증기 레벨을 밀어 넣음으로써(열역학적으로 유리한 경우) 제2 작동유체(24)의 증발점을 상승시키는 데 사용될 수 있다. 기체 상태의 제2 작동유체(24)는 제2 팽창기(11)로 들어가고, 제2 팽창기(11)를 가로지르는 압력차(제2 응축기(12) 내의 제2 작동유체(24)의 응축 압력 및 제2 작동유체(24)를 증발시키는 데 사용되는 열원에 의한)로 인해 제2 작동유체(24)가 팽창함에 따라 제2 팽창기(11)를 구동 시켜, 제2 열전달유체(28)(선택적으로 제2 과열기(18))로부터 추출된 에너지를 전기 또는 기계적 에너지로 변환시킨다.
제2 작동유체(24)는 제2 팽창기(11)를 빠져나갈 때 여전히 기체 상태이며, 제1 작동유체(23)에 열역학적으로 유리할 수 있는 잔류열을 교환할 수 있는 선택적 열교환기(36)로 진입할 수 있다.
그 다음, 제2 작동유체(24)는 제2 응축기(12)로 진입하고, 제2 응축기(12)의 반대측에서 보조 히트싱크(15)에 의해 응축된다. 특정한 비제한적인 실시예에서, 보조 히트싱크(15)는 주변의 히트싱크일 수 있다.
대안적으로, 열역학적으로 유리한 경우, 장치(400)는 제2 작동유체(24)가 선택적 열교환기(36)에서 응축되고 제2 응축기(12)에서 과냉각되도록 구성될 수 있다.
응축된 제2 작동유체(24)는 선택적으로 먼저 버퍼 저장부(38)(존재한다면)에 진입한 다음 펌프(13)로 들어가거나, 또는 가능하다면, 사이클을 계속하기 위해 펌프(13)로 바로 흡입되어 대안적인/폐열 공급원(30)이 제2 작동유체(24)를 예열할 수 있는 제2 증발기(14)로 재펌핑될 수 있다(선택적 열교환기인 제2 예열기(17)를 통해).
이 과정은 계속해서 진행될 수 있고, 이는 제2 작동유체(24)가 고온측 PCM의 열을 흡수하여 증발하면서(제2 열전달유체(28)를 통해) 고온측 PCM의 점진적 응고를 야기할 수 있다.
제2 배출 모드의 작동은 고온측 PCM을 부분적으로 또는 완전히 고체화시키도록 진행될 수 있고, 여전히 다음의 충전모드 작동이 고온측 PCM이 여전히 용융점에 있을 때 개시되도록 하거나, 또는 경우에 따라서는 충분한 전력이 여전히 발생될 수 있을 때, 모든 고온측 PCM이 응고되는 시점 이후까지 제2 배출 모드를 작동시키는 것이 바람직할 수 있다. 후자의 경우, 히트펌프(1)가 충전모드의 다음 작동 동안 온도 범위(temperature range)에 걸쳐 작동할 것임을 의미한다. 어느 경우 에나, 고온측PCM이 완전히 응고되었음은 제2 저장조(3)에 있는 또는 제2 저장조(3)에서 배출되는 제2 열전달유체(28)의 온도 저하를 측정함으로써 검출될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치(500)를 도시한다.
도 5의 실시예에서, PCM이 액체에서 고체로 또는 그 반대로 상을 변화시킴에 따라 비교적 일정한 온도에서 열을 저장하거나 또는 잃기 위해 캡슐화되지 않은 PCM이 제1 및 제2 저장조(2, 3)에서 사용된다.
제1 저장조(2) 내의 저온측 PCM은 어떠한 방식으로도 캡슐화되지 않는다. 제1 열전달유체(25)는 저온측 PCM과 간접적으로 접촉한다. 두 물질은, PCM의 액체 및 고체상태 모두에서 서로 섞이지 않으며 서로 다른 비중을 가지기 때문에 쉽게 혼합되지 않고 중력 하에서 분리되지 않도록 선택된다. 이러한 자연적 분리로 인해, 충전모드의 작동 중에, 제1 열전달유체(25)만이 저온측 PCM과 최적의 열 접촉을 하면서 제1 저장조(2)로부터 송출되도록 흡입 포트를 위치시킬 수 있다.
이러한 자연적 분리는 또한, 제1 배출모드의 작동 중에 저온측 PCM의 고체/액체 슬러리 혼합물만이 제1 저장조(2)로부터 송출되도록 흡입 포트를 위치시킬 수 있다. 슬러리 내에 동반된 제1 열전달유체(25)가 소량 있을 수 있지만, 이는 최소화될 것이다.
충전모드의 동작 이전에, 저온측 PCM은 완전히 액체 일 것이고(제1 저장조(2)가 제1 배출모드의 이전 동작 동안 완전히 배출된 경우), 바람직하게는 그 융점에 있을 것이지만, 일부 실시예에서는 융점보다 약간 높을 수 있다.
제2 저장조(3) 내의 고온측 PCM은 어떠한 방식으로도 캡슐화되지 않는다. 제2 열전달유체(28)는 고온측 PCM과 간접적으로 접촉한다. 두 물질은, PCM 액체 및 고체상태 모두에서 서로 섞이지 않으며 서로 다른 비중을 가지기 때문에 쉽게 혼합되지 않고 중력 하에서 분리되지 않도록 선택된다. 이러한 자연적 분리로 인해, 제2 배출모드의 작동 중에, 제2 열전달유체(28)만이 고온측 PCM과 최적의 열 접촉을 하면서 제2 저장조(3)로부터 송출되도록 흡입 포트를 위치시킬 수 있다.
이러한 자연적 분리는 또한, 충전모드의 작동 중에 고온측 PCM의 고체/액체 슬러리 혼합물(44)만이 제2 저장조(3)로부터 송출되도록 흡입 포트가 위치된다. 슬러리 내에 동반된 제2 열전달유체(28)가 소량 있을 수 있지만, 이는 최소화될 것이다.
충전모드가 작동되기 전에, 선택적 차단밸브(40 및 42)가 개방될 수 있고(존재한다면), 선택적 차단밸브(41 및 43)는 폐쇄될 수 있다(존재한다면). 선택적 3 방향 밸브(32 및 33)는 고온측 PCM 슬러리(44)를 냉동 응축기(21)로 전환하거나, 또는 열교환기(31)를 통해 추가적 열원을 사용할 경우 펌프(29)가 작동되어 고온측 PCM 슬러리(44)를 순환시키는 경우 제2 저장조(3)로부터 적절한 위치로 전환되도록 설정될 수 있다. 고온측 PCM은 이 단계에서 고체/액체 슬러리 상태가 될 것이고, 고체와 액체의 함량은 선행하는 제2 배출모드가 작동된 시간, 또는 열교환기(31)를 통해 추가적인 열이 가해졌는지 여부에 의해 결정된다. 고온측 PCM은 바람직하게는 융점에 있을 수 있고 일부 구성에서는 융점 이하일 수 있다.
충전모드로 작동할 때, 히트펌프(1)는 냉동 압축기(19)를 구동하도록 에너지가 공급된다. 이는 냉동 응축기(21)에 들어가기 전에 히트펌프(1) 내의 기체 상태의 냉매를 가열 및 가압한다. 결과적으로, 냉동 응축기(21)의 타측을 통하도록 펌프(29)에 의해 순환되는 고온측 PCM 슬러리(44)에 열이 공급된다. 고온측 PCM 슬러리(44)에 열을 뺏김으로써, 히트펌프 냉매가 액상으로 응축되고 그 후 팽창 밸브(22)로 진입한다. 이는 압력 및 그에 따른 끓는점을 하강시킨다. 냉동 증발기(20)로 들어가는 냉매는 펌프(26)를 통해 냉동 증발기(20)의 타측을 통하도록 순환되는 제1 열전달유체(25)로부터 열을 추출함에 따라 끓게 된다.
이 단계 동안, 제1 열전달유체(25)는 액상의 저온측 PCM과 즉시 접촉하게 되는 지점에서 냉동 증발기(20)를 떠난 후에 제1 저장조(2)로 되돌아간다. 저온측PCM이 이미 그 융점 온도에 있다면, 제1 저장조(2)로 재진입하는 제1 열전달유체(25)와 접촉하여 저온측 PCM의 작은 고체 입자가 형성된다. 물질의 비혼화성 및 이들의 상이한 비중으로 인해, 충전모드 동안 제1 열전달유체(25)가 계속하여 제1 저장조(2)로부터 그리고 냉동 증발기(20)를 통하도록 펌핑되도록 하면서 이들은 분리된다. 저온측PCM의 고체화된 입자는 물질의 특성에 따라 액상의 저온측PCM에서 상승하거나 가라 앉는다. 이는 저온측 PCM 슬러리의 축적이 제1 저장조(2) 내로 집중되도록 한다. 충전모드의 작동은, 바람직하게는 모든 저온측 PCM 슬러리가 제1 저장조(2) 내에서 최대의 원하는 고체 밀도에 도달할 때까지 계속될 수 있다.
충전모드의 작동 중에, 냉동 응축기(21) 및/또는 선택적 열교환기(31)를 통과하는 고온 PCM 슬러리(44)는 히트펌프(1)가 열을 전달함에 따라 계속적으로 용융될 것이다.
저온측 PCM의 슬러리의 최대 고체 밀도가 발생하는 경우와, 고온측 PCM이 모두 용융되는 경우가 일치하도록 제2 저장조(3) 내의 제2 PCM의 질량을 조정하는 것은 가능하지만, 반드시 필수는 아니다. 실용적인 측면에서, 그리고, 대안적인 열원으로부터 선택적 폐열 회수를 허용하기 위해, 고온측PCM의 질량은 시스템 성능에 영향을 주지 않으면 이 조정 값을 초과할 수 있다.
충전모드의 동작은 저온측 PCM에 "합리적인 냉각"을 제공하는데 에너지가 사용되지 않는 저온측 PCM 슬러리가 최대 허용 고체 밀도에 도달하는 시점 또는 그전에 중단될 수 있다. 이러한 방식으로, 단일 작동 지점 주위에서 히트펌프(1) 설계 및 냉매 선택이 최적화되는 것을 가능하게 하면서 고정된 온도차 및 성능 계수가 히트펌프(1)의 전체에서 유지될 수 있다.
특정 실시예에서, 저장 모드의 작동 중에, 히트펌프(1)는 작동하지 않으며, 제1 열역학적 회로의 어떠한 구성도 작동하지 않는다.
장치(500)가 추가적인 열원의 회수가 없는 에너지 저장 시스템으로서 순전히 작동하는 경우, 장치(500)는 제2 열역학적 회로에서 활성화된 구성 요소가 없는 상태로 정지될 수 있다.
추가적인 열원(30)이 이용 가능한 경우, 선택적 3 방향 밸브(32 및 33)를, 펌프(29)가 고온측 PCM 슬러리(44)를 열교환기(31)를 통하도록 전환시키도록 배치함에 따라 저장 모드 동안 연속적, 혹은 간헐적으로 열원을 사용하도록 하여 제2 저장조(3)는 계속해서 채워질 수 있다.
도 3 및 도 4와 관련하여 전술한 실시예와 같이, 제1 및 제2 저장조(2, 3)의 배출은 국부 전력 요건에 따라 독립적으로 또는 동시에 수행될 수 있다. 즉, 제1 배출모드는 제1 저장조(2)의 배출을 허용할 수 있고, 제2 배출모드는 제2 저장조(3)의 배출을 허용할 수 있다. 제1 및 제2 팽창기(6, 11)는 각각의 배출모드의 작동 전에 정지될 수 있으며, 또는 제1 작동유체(23) 및 제2 작동유체(24)가 도입되기 전에 작동 속도가 되도록 모터 구동될 수 있다. 특정한 순시 전력을 필요로 하는 실시예에서, 즉각적인 공급을 제공하기 위해 용량성 저장장치(capacitive storage)(53)가 드라이브/전력 전자 장치(52)에 포함될 수 있다(도 10 참조). 다른 실시예에서, 예를 들어 기계적 또는 전기적 일 수 있는 다른 부가적인 비열성 에너지 저장 수단이 제공될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 비열성 에너지 저장 수단은 플라이휠 또는 배터리 일 수 있다.
제1 배출모드의 작동시, 펌프(8)는 제1 작동유체(23)를 보조열원(10)에 의해 가열하고 증발시키는 제1 증발기(9)로 펌핑한다. 일부 비제한적인 실시예에서, 보조열원은 주변 열원일 수 있다. 제1 작동유체(23)는 제2 팽창기(11)를 빠져나갈 때(제2 배출모드가 또한 작동되는 경우) 제2 작동유체(24)로부터 잔류열을 수집하기 위해 선택적 열교환기(36)를 통과한다. 이것은 기체 상태의 제1 작동유체(23)를 추가로 가열할 수 있고(예를 들어 과열), 혹은 대안적으로, 제1 팽창기(6)로의 진입에 앞서, 열교환기(36) 내로 액체/증기 레벨을 밀어 넣음으로써(열역학적으로 유리한 경우) 제1 작동유체(23)의 증발점을 상승시키는 데 사용될 수 있다.
제1 팽창기(6)로의 진입에 앞서, 제1 작동유체(23)는 추가적인 열원(30)이 이용 가능하다면 선택적 열교환기인 제1 과열기(16)를 통과할 수 있다. 이는 기체 상태의 제1 작동유체(23)를 추가로 가열할 수 있고(예를 들어 과열), 혹은 대안적으로, 제1 팽창기(6)로의 진입에 앞서, 선택적 열교환기인 제1 과열기(16)내로 액체/증기 레벨을 밀어 넣음으로써(열역학적으로 유리한 경우) 제1 작동유체(23)의 증발점을 상승시키는 데 사용될 수 있다.
기체 상태의 제1 작동유체(23)는 제1 팽창기(6)로 들어가고, 제1 팽창기(6)를 가로지르는 압력차(제1 응축기(7)에서의 응축 압력 및 제1 작동유체(23)를 증발시키는 데 사용되는 열원에 의한)로 인해 제1 작동유체(23)가 제1 팽창기(6)를 구동 시켜(팽창함에 따라), 제1 증발기(9)(선택적으로 열교환기(36,16))의 열원으로부터 추출된 에너지를 전기적 또는 기계적 에너지로 변환시킨다.
제1 작동유체(23)는 여전히 기체 상태에서 제1 팽창기(6)를 빠져나가 제1 응축기(7)로 진입한다. 펌프(46)는 저온측 PCM 슬러리(45)를 제1 저장조(2)로부터 제1 응축기(7)로 펌핑한다. 이는 제1 작동유체(23)와 저온측 PCM의 열접촉 시키고, 이 열접촉은 저온측PCM 슬러리가 제1 작동유체(23)로부터 열을 흡수하여 용융됨에 따라 제1 작동유체(23)를 응축시키도록 한다. 응축된 제1 작동유체(23)는 버퍼 저장부(37)(존재한다면)에 선택적으로 먼저 들어갈 수 있고, 혹은 펌프(8)로 들어가거나 또는 사이클을 계속하기 위해 펌프(8)로 다시 한번 바로 흡입될 수 있다. 제1 응축기(7)를 떠나는 저온측 PCM은 완전 액체 또는 보다 큰 액체의 비율로 제1 저장조(2)로 복귀된다. 이 공정은 제1 배출모드가 작동될 때 저온측PCM 슬러리(45)를 점차적으로 용융시킨다.
제1 배출 모드의 작동은 저온측 PCM 슬러리(45)를 부분적으로 또는 완전히 용융 시키도록 진행될 수 있고, 여전히 다음의 충전모드가 저온측 PCM이 여전히 어는점에 있을 때 작동이 개시되도록 할 수 있다. 대안적으로, 여전히 충분한 전력이 생성될 수 있다면, 모든 저온측 PCM 슬러리(45)가 용융되는 시점 이후까지 제1 배출 모드를 계속 작동시키는 것이 바람직할 수 있다. 이는 히트펌프(1)가 충전모드의 다음 작동 동안 온도 범위(temperature range)에 걸쳐 작동할 것임을 의미한다. 어느 경우에나, 저온측 PCM이 완전히 용융되었음은 제1 저장조(2)에 있는 또는 제1 저장조(2)에서 배출되는 저온측 PCM의 온도 상승을 측정함으로써 검출될 수 있다.
제2 배출모드를 작동하기 전에, 선택적 차단밸브(41 및 43)가 개방될 수 있다(존재한다면). 제2 배출모드의 작동 중에 열교환기(31)를 통한 추가적인 열 유입이 없다면 제1 선택적 차단 밸브(40 및 42)가 폐쇄될 수 있다(존재한다면). 추가의 열원이 이용 가능한 경우, 제2 배출모드의 작동 중에 연속적인 열원을 이용하기 위해 선택적 3 방향 밸브(32 및 33)를 펌프(29)가 고온측 PCM 슬러리(44)가 열교환기(31)를 통하도록 전환시키도록 작동하게끔 조절하고, 차단 밸브(40 및 42)를 개방시킴으로써 제2 저장조(3)는 계속적으로 충전될 수 있다. 이는 히트펌프(1)의 작동없이 제2 저장조(3)의 충전 및 제2 배출모드의 작동을 동시에 허용한다.
제2 배출모드의 작동시, 펌프(39)는 제2 열전달유체(28)를 제2 저장조(3)로부터 제2 증발기(14)로 순환시키도록 작동된다. 제2 증발기(14)를 빠져나갈 때 제2 열전달유체(28)는 액체 상태의 고온측 PCM과 접촉하자 마자 제2 저장조(3)로 돌아가 연속적인 순환 및 고온측 PCM의 냉각을 가능하게 한다. 펌프(13)는 제2 작동유체(24)를 제2 증발기(14)의 타측으로 펌핑하도록 작동되고, 제2 증발기(14)의 타측에서 제2 작동유체(24)는 제2 열전달유체(28)로부터의 열을 사용하여 증발된다.
제2 작동유체(24)는 제2 증발기(14)를 빠져나오며, 제2 팽창기(11)로 들어가기 전에 추가/폐열 공급원(30)이 이용 가능한 경우 선택적 열교환기인 제2 과열기(18)를 통과할 수 있다. 이는 기체 상태의 제2 작동유체(24)를 추가로 가열(예를 들어, 과열)하거나 혹은 대안적으로, 제2 팽창기(11)로의 진입에 앞서, 선택적 열교환기인 제2 과열기(18) 내로 액체/증기 레벨을 밀어 넣음으로써(열역학적으로 유리한 경우) 제2 작동유체(24)의 증발점을 상승시키는 데 사용될 수 있다.
기체 상태의 제2 작동유체(24)는 제2 팽창기(11)로 들어가고, 제2 팽창기(11)를 가로지르는 압력차(제2 응축기(12) 내에서 제2 작동유체(24)의 응축 압력 및 제2 작동유체(24)를 증발시키는 데 사용되는 열원에 의한)로 인해 제2 작동유체(24)가 팽창함에 따라 제2 팽창기(11)를 구동 시켜, 제2 열전달유체(28)(선택적으로 제2 과열기(18))로부터 추출된 에너지를 전기 또는 기계적 에너지로 변환시킨다.
제2 작동유체(24)는 제2 팽창기(11)를 빠져나갈 때 여전히 기체 상태이며, 제1 배출모드가 동시에 작동되고 있다면, 제1 작동유체(23)에 열역학적으로 유리할 수 있는 잔류열을 교환할 수 있는 선택적 열교환기(36)로 진입할 수 있다.
그 다음, 제2 작동유체(24)는 제2 응축기(12)로 진입하고, 제2 응축기(12)의 반대측에서 보조 히트싱크(15)에 의해 응축된다. 특정한 비제한적인 실시예에서, 보조 히트싱크(15)는 주변의 히트싱크일 수 있다.
대안적으로, 열역학적으로 유리한 경우, 장치(500)는 제2 작동유체(24)가 선택적 열교환기(36)에서 응축된 다음 제2 응축기(12)에서 과냉각되도록 구성될 수 있다.
응축된 제2 작동유체(24)는 선택적으로 먼저 버퍼 저장부(38)(존재한다면)에 진입한 다음 펌프(13)로 들어가거나, 또는 가능하다면, 사이클을 계속하기 위해 펌프(13)로 바로 흡입되어 대안적인/폐열 공급원(30)이 제2 작동유체(24)를 예열할 수 있는 제2 증발기(14)로 재펌핑될 수 있다(선택적 열교환기인 제2 예열기(17)를 통해).
제2 열전달유체(28)가 제2 증발기(14)를 떠나 제2 저장조(3)로 재유입됨에 따라, 제2 저장조(3)에서는 냉각 효과를 갖는다. 일단 고온측 PCM 물질이 어는점 온도에 도달하면, 제2 열전달유체(28)를 통한 추가적인 냉각은, 제2 저장조(3)로 다시 들어가는 제2 열전달유체(28)와 접촉하는 고온측 PCM에 작은 고체 입자가 형성되게 한다.
물질의 비혼화성 및 이들의 상이한 비중으로 인해, 제2 배출모드에서 제2 열전달유체(28)가 계속하여 제2 저장조(3)로부터 제2 증발기(14)를 통하도록 펌핑되도록 허용하면서 이들은 분리된다. 고온측PCM의 고체화된 입자는 물질의 특성에 따라 액상의 고온측PCM에서 상승하거나 가라 앉는다. 이는 고온측 PCM 슬러리의 축적이 제2 저장조(3) 내로 집중되도록 한다. 제2 배출모드의 작동은, 필수적이지는 않으나, 바람직하게 모든 고온측 PCM 슬러리가 제2 저장조(3) 내에서 최대의 원하는 고체 밀도에 도달할 때까지 계속될 수 있다.
제2 배출모드의 작동은 고온측PCM 슬러리를 최대의 원하는 고체 밀도로 부분적으로 또는 완전히 고체화시키도록 진행될 수 있고, 여전히 다음의 충전모드 작동이 고온측 PCM이 제2 저장조(3) 내에서 그 용융점 온도에 있을 때 개시되도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치(600)를 도시한다.
도 6의 실시예에서, 제1 및 제2 저장조(2, 3) 각각의 제1 및 제2 저장매체는 정상 작동 온도 동안 상이 변화되지 않는 액체 매질을 포함한다. 즉, 제1 저장매체는 제1(또는 "저온측") 저장 액체이고, 제2 저장매체는 제 2(또는 "고온측") 저장 액체이다.
제1 저장조(2) 내의 제1 저장 액체는 바람직하게는 높은 비열 용량을 가지며 바람직하게는 냉각될 때 상 변화를 겪지 않는 액체이다. 이 실시예에서, 제1 저장 액체 및 제1 열전달유체(25)는 동일한 매체이다.
충전모드의 작동 이전에, 밸브(27)는 펌프(26)가 작동될 때 제1 열전달유체(25)를 제1 저장조(2)로부터 냉동 증발기(20)로 전환시키도록 조절된다. 저온측 저장 액체는 제1 저장조(2)가 제1 배출 모드의 이전 동작 동안(즉, 제1 배출 모드의 동작 동안) 완전히 비워진 경우에 가장 높은 저장 온도에 있을 것이다.
제2 저장조(3) 내의 제2 저장 액체는 바람직하게는 높은 비열 용량을 가지며 바람직하게는 가열됨에 따라 상 변화를 겪지 않는 액체이다. 이 실시예에서, 제2 저장 액체 및 제2 열전달유체(28)는 동일한 매체이다.
충전모드가 작동되기 전에, 선택적 차단밸브(40 및 42)가 개방될 수 있고(존재한다면), 선택적 차단밸브(41 및 43)는 폐쇄될 수 있다(존재한다면). 선택적 3 방향 밸브(32 및 33)는 제2 열전달유체(28)를 냉동 응축기(21)로 전환하거나, 또는 추가적 열원을 사용할 경우(열교환기(31)를 통해), 펌프(29)가 작동되어 제2 저장조(3)로부터 적절한 위치로 전환되도록 설정될 수 있다. 이전 제2 배출모드의 작동 동안 제2 저장조(3)가 완전히 비워진 경우, 열교환기를 통한 추가적인 열이 유입되지 않았다면 고온측 축열 액체는 가장 낮은 저장 온도에 있을 것이다
충전모드로 작동할 때, 히트펌프(1)는 냉동 압축기(19)를 구동하도록 에너지가 공급된다. 이는 냉동 응축기(21)에 들어가기 전에 히트펌프(1) 내의 기체 상태의 냉매를 가열 및 가압하고, 냉동 응축기(21)의 타측을 통하도록 펌프(29)에 의해 순환되는 제2 열전달유체(28)에 열이 공급된다. 제2 열전달유체(28)에 열을 뺏김으로써, 히트펌프 냉매가 액상으로 응축되고 그 후 압력을 감소시키고 그에 대응하여 끓는 점을 감소시키는 팽창 밸브(22)로 진입한다. 냉동 증발기(20)로 들어가는 냉매는 펌프(26)를 통해 냉동 증발기(20)의 타측을 통하도록 순환되는 제1 열전달유체(25)로부터 열을 추출함에 따라 끓게 된다.
충전모드의 동작은 바람직하게는 모든 저온측 축열 액체가 최저 저장 온도에 도달할 때까지 계속될 수 있다. 이는 제1 열전달유체(25)의 온도가 미리 결정된 수준에 도달함으로써 검출될 수 있다(따라서 확인 가능하다).
모든 고온측 PCM이 고체화될 때 동시에 모든 고온측 PCM이 용융되도록 제2 저장조(3) 내의 고온측 PCM의 질량을 조정하는 것은 가능하지만 필수적이지는 않다. 실용적인 측면에서, 대안적인 열원으로부터의 임의의 폐열 회수를 허용하기 위해, 고온측 축열 액체의 질량은 시스템 성능에 영향을 주지 않으면서 이 조정 값을 초과할 수 있다.
필수는 아닐지라도, 제1 및 제2 저장조(2, 3) 내의 온도는 충전모드의 작동을 통해 균질화되는 것이 바람직하다. 이는 제1 및 제2 저장조(2,3)의 교반하거나, 예를 들어, 제1 및 제2 열전달유체를 재순환 시키거나, 혹은 다른 수단(폭기(aeration), 기계식 교반기 등)을 이용하거나, 히트펌프(1)에서의 응축 온도가 임의의 지점에서 벌크 제2 저장조(3) 온도보다 약간 위에 있도록 히트펌프(1)의 작동을 제어하거나, 히트펌프(1)의 증발 온도는 임의의 지점에서 벌크 제1 저장조(2) 온도보다 약간 낮도록 히트펌프(1)의 작동을 제어하여 달성할 수 있다. 이러한 충전 과정은 시스템의 왕복 효율을 최대화하기 위해서는, 충전 모드 동안 히트펌프(1)의 평균 성능 계수가 가능한한 높아야 한다는 것을 보장할 것이다.
특정 실시예에서, 저장 모드의 작동 중에, 히트펌프(1)는 작동되지 않을 수도 있고, 제1 열역학적 회로(4)의 어떤 구성 요소도 마찬가지이다.
장치(600)가 추가 열원의 회수가 없는 에너지 저장 시스템으로서 순수하게 작동하는 경우, 장치(600)는 제2 열역학적 회로(5)의 구성 요소는 작동하지 않는 상태일 수 있다.
추가적인 열원이 이용 가능한 경우, 선택적 3 방향 밸브(32 및 33)를, 펌프(29)가 제2 열전달유체(25)를 열교환기(31)를 통하도록 전환시키도록 조절함에 따라 저장 모드 동안 연속적, 혹은 간헐적으로 열원을 사용하도록 하여 제2 저장조(3)는 계속해서 채워질 수 있다.
도 3, 도 4 및 도 5와 관련하여 전술한 실시예와 같이, 제1 및 제2 열역학적 회로(4,5)의 배출은 국부 전력 요건에 따라 독립적으로 또는 동시에 수행될 수 있다. 즉, 제1 배출모드는 제1 열역학적 회로(4)의 배출을 허용할 수 있고, 제2 배출모드는 제2 열역학적 회로(5)의 배출을 허용할 수 있다. 제1 및 제2 팽창기(6, 11)는 각각의 배출모드의 작동 전에 정지될 수 있으며, 또는 제1 작동유체(23) 및 제2 작동유체(24)가 도입되기 전에 작동 속도가 되도록 모터 구동될 수 있다. 특정한 순시 전력을 필요로 하는 실시예에서, 즉각적인 공급을 제공하기 위해 용량성 저장장치(capacitive storage)(53)가 드라이브/전력 전자 장치(52)에 포함될 수 있다(도 10 참조). 다른 실시예에서, 예를 들어 기계적 또는 전기적 일 수 있는 다른 부가적인 비열성 에너지 저장 수단이 제공될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 비열성 에너지 저장 수단은 플라이휠 또는 배터리 일 수 있다.
제1 배출모드의 작동 이전에, 3 방향 밸브(27)는 펌프(26)의 작동이 제1 열전달유체(25)가 제1 응축기(7)를 통하도록 조절된다.
제1 배출모드의 작동시에, 펌프(8)는 제1 작동유체(23)를 제1 증발기(9)로 펌핑하여 보조열원(10)에 의해 가열 및 증발되도록 한다. 특정한 비제한적인 실시예에서, 보조열원(10)은 주위 또는 환경 열원일 수 있다. 제1 작동유체(23)는 선택적 열교환기(36)(존재한다면)를 통과하여 제2 작동유체(24)가 제2 팽창기(11)를 빠져나갈 때(제2 배출모드가 작동되는 경우) 제2 작동유체(24)로부터 잔여열을 전달받는다. 이는 기체 상태의 제1 작동유체(23)를 추가로 가열할 수 있고(예를 들어 과열), 혹은 대안적으로, 제1 팽창기(6)로의 진입에 앞서, 열교환기(36) 내로 액체/증기 레벨을 밀어 넣음으로써(열역학적으로 유리한 경우) 제1 작동유체(23)의 증발점을 상승시키는 데 사용될 수 있다.
제1 팽창기(6)로 진입하기 전에, 제1 작동유체(23)는 추가적인 열원(30)이 이용 가능한 경우, 선택적 열교환기인 제1 과열기(16)를 통과할 수 있다. 이는 기체 상태의 제1 작동유체(23)를 추가로 가열할 수 있고(예를 들어 과열), 혹은 대안적으로, 제1 팽창기(6)로의 진입에 앞서, 선택적 열교환기인 제1 과열기(16) 내로 액체/증기 레벨을 밀어 넣음으로써(열역학적으로 유리한 경우) 제1 작동유체(23)의 증발점을 상승시키는 데 사용될 수 있다.
기체 상태의 제1 작동유체(23)는 제1 팽창기(6)로 진입하고 제1 팽창기(6)를 가로지르는 압력차(제1 응축기(7)의 응축 압력 및 제1 작동유체 (23)를 증발시키기 위해 열원을 사용하여 설정된 응축 압력에 의한)로 인해 제1 작동유체(23)가 팽창함에 따라 제1 팽창기(6)를 구동 시켜(팽창에 따라), 제1 증발기(9)(선택적으로 열교환기 36,16)의 열원으로부터 추출된 에너지를 전기 또는 기계적 에너지로 변환시킨다.
제1 작동유체(23)는 여전히 기체 상태에서 제1 팽창기(6)를 빠져나가 제1 응축기(7)로 진입한다. 펌프(26)는 제1 열전달유체(25)를 제1 저장조(2)로부터 제1 응축기(7)로 펌핑한다. 이는 제1 저장조(2)와 제1 작동유체(23)를 열 접촉 상태로 놓고, 이 열접촉은 제1 열전달유체(25)가 제1 작동유체(23)로부터 열을 흡수할 때 제1 작동유체(23)를 응축시킨다. 응축된 제1 작동유체(23)는 선택적으로 버퍼 저장부(37)(존재한다면)에 먼저 진입할 수 있고 펌프(8)로 들어가거나 또는 사이클이 계속되도록, 펌프(8)로 다시 한번 흡입될 수 있다. 제1 응축기(7)를 떠나는 제1 열전달유체(25)는 제1 배출 모드가 작동됨에 따라 저온측 축열 액체와 열을 교환하는 제1 저장조(2)로 복귀되어 저온측 축열 액체의 용융을 일으킨다.
제1 배출모드는 저온측 축열 액체를 부분적으로 또는 전체적으로 가열하도록 진행될 수 있고, 어느 벌크 온도(bulk temperature)든 균질화된 상태에 도달한 때 충전모드의 다음 작동의 개시를 허용하도록 진행될 수 있다. 어느 경우에나, 제1 저장조(2)의 완전한 배출은 제1 저장조(2) 내의 또는 제1 저장조(2)에서 나오는 제1 열전달유체(25)의 온도 상승의 검출에 의해 파악될 수 있다.
제1 배출모드의 작동 중에, 저온측 축열 액체가 제1 저장조(2)(예를 들어, 탱크 일 수 있는)의 하부로부터 유출되고, 제1 저장조(2) 내의 축열 액체가 상기 유출된 액체가 항상 최저온의 저장온도에 있도록 하는 유속으로 제1 저장조(2)의 상부로 돌아가고, 제1 저장조(2)로 최고 저장 온도일 때 복귀하는 것이 유리하지만, 반드시 필수는 아니다. 이는 제1 응축기(7)의 제1 작동유체(23)에 대해 가능한 가장 낮은 응축 압력을 초래하여 제1 팽창기(6) 내의 엔탈피 변화를 최대화할 것이다.
제2 배출모드를 작동하기 전에, 선택적 차단밸브(41 및 43)가 개방될 수 있다(존재한다면). 제2 배출모드의 작동 중에 열교환기(31)를 통한 추가적인 열 유입이 없다면 제1 선택적 차단 밸브(40 및 42)가 폐쇄될 수 있다(존재한다면). 추가적인 열원이 이용 가능한 경우, 선택적 3 방향 밸브(32 및 33)를 펌프(29)의 작동이 제2 열전달유체(28)가 열교환기(31)로 통하도록 전환시키도록 조절하여 제2 배출모드의 작동 동안 선택적 차단 밸브(40 및 42)를 개방된 상태로 유지하여 계속적인 열원을 이용할 수 있도록 함에 따라 제2 저장조(3)는 계속적으로 충전될 수 있다. 이는 제2 배출모드의 작동 중에 연속적인(선택적인) 열원을 사용하므로 히트펌프(1)의 작동없이 제2 저장조(3)의 동시적인 충전 및 배출을 가능하게 한다.
제2 배출모드의 작동시, 펌프(39)는 제2 열전달유체(28)를 제2 저장조(3)로부터 제2 증발기(14)로 순환시키도록 작동된다. 제2 증발기(14)를 빠져나갈 때 제2 열전달유체(28)는 제2 저장조(3)로 돌아가 연속적인 순환을 가능하게 한다. 펌프(13)는 제2 작동유체(24)를 제2 증발기(14)의 타측으로 펌핑하도록 작동되고, 제2 증발기(14)의 타측에서 제2 작동유체(24)는 제2 열전달유체(28)로부터의 열을 사용하여 증발된다.
제2 작동유체(24)는 제2 증발기(14)를 빠져나오며, 제2 팽창기(11)로 들어가기 전에 추가/폐열 공급원(30)이 이용 가능한 경우 선택적 열교환기인 제2 과열기(18)를 통과할 수 있다. 이는 기체 상태의 제2 작동유체(24)를 추가로 가열(예를 들어, 과열)하거나 혹은 대안적으로, 제2 팽창기(11)로의 진입에 앞서, 선택적 열교환기인 제2 과열기(18) 내로 액체/증기 레벨을 밀어 넣음으로써(열역학적으로 유리한 경우) 제2 작동유체(24)의 증발점을 상승시키는 데 사용될 수 있다.
기체 상태의 제2 작동유체(24)는 제2 팽창기(11)로 들어가고, 제2 팽창기(11)를 가로지르는 압력차(제2 응축기(12) 내에서의 제2 작동유체(24)의 응축 압력 및 제2 작동유체 (24)를 증발시키는 데 사용되는 열원에 의한)로 인해 제2 팽창기(11)를 구동 시켜(팽창에 따른), 제2 열전달유체(28)(선택적으로 열교환기 18)로부터 추출된 에너지를 전기 또는 기계적 에너지로 변환시킨다.
제2 작동유체(24)는 제2 팽창기(11)를 빠져나갈 때 여전히 기체 상태이며, 만약 제1 배출 모드가 동시에 작동되고 있다면, 제1 작동유체(23)에 열역학적으로 유리할 수 있는 잔류열을 교환할 수 있는 선택적 열교환기(36)로 진입할 수 있다.
그 다음, 제2 작동유체(24)는 제2 응축기(12)로 진입하고, 제2 응축기(12)의 반대측에서 보조 히트싱크(15)에 의해 응축된다. 특정한 비제한적인 실시예에서, 보조 히트싱크(15)는 주변의 히트싱크일 수 있다.
대안적으로, 열역학적으로 유리한 경우, 장치(600)는 제2 작동유체(24)가 선택적 열교환기(36)에서 응축되고 제2 응축기(12)에서 과냉각되도록 구성될 수 있다.
응축된 제2 작동유체(24)는 선택적으로 먼저 버퍼 저장부(38)(존재한다면)에 진입한 다음 펌프(13)로 들어가거나, 또는 가능하다면, 사이클을 계속하기 위해 펌프(13)로 바로 흡입되어 대안적인/폐열 공급원(30)이 제2 작동유체(24)를 예열할 수 있는 제2 증발기(14)로 선택적 열교환기인 제2 예열기(17)를 통해 재펌핑될 수 있다.
이 과정은 계속해서 진행될 수 있고, 이는 제2 작동유체(24)가 고온측 열축 액체의 열을 제2 열전달유체(28)를 통해 흡수하여 증발하면서 고온측 열축 액체의 점진적 냉각을 야기할 수 있다.
제2 배출모드는 제2 저장조(3)를 부분적으로 또는 전체적으로 냉각하도록 진행될 수 있고, 어느 벌크 온도(bulk temperature)든 균질화된 상태에 도달한 때 충전모드의 다음 작동의 개시를 허용하도록 진행될 수 있다. 어느 경우에나, 제2 저장조(3)의 완전한 배출은 제2 저장조(3) 내의 또는 제2 저장조(3)에서 나오는 제2 열전달유체(28)의 온도 저하에 의해 파악될 수 있다(따라서 검출되는).
제2 배출모드의 작동 중에, 고온측 축열 액체가 제2 저장조(3)(예를 들어, 탱크 일 수 있는)의 상부로부터 유출되고, 제2 저장조(3) 내의 축열 액체가 상기 유출된 액체가 항상 최고 저장 온도에 있도록 하는 유속으로 제2 저장조(3)의 하부로 돌아가고, 제2 저장조(3)로 최저 저장 온도일 때 복귀하는 것이 유리하지만, 반드시 필수는 아니다. 이는 제2 증발기(14)의 제2 작동유체(24)에 대해 가능한 가장 높은 증발 압력을 초래하여 제2 팽창기(11) 내의 엔탈피 변화를 최대화할 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치(700)를 도시한다. 도 7의 실시예에서, 제1 저장조(2)는 2 개의 분리된 제1 용기(2a, 2b)를 포함하고 제2 저장조(3)는 2 개의 분리된 제2 용기(3a, 3b)를 포함한다. 제1 및 제2 저장매체는 장치(700)의 정상 작동 중에 상 변화하지 않는 액체이다. 이러한 방식으로, 열 에너지는 제1 및 제2 용기(2a, 2b, 3a, 3b)에서 적절한 가열 및 냉각을 통해 저장될 수 있다. 제1 저장매체가 가열되고 냉각됨에 따라, 제1 저장매체는 2 개의 제1 용기(2a, 2b) 사이에서 앞뒤로 이동된다(예를 들어 펌핑된다). 유사하게, 제2 저장매체가 가열되고 냉각됨에 따라, 제2 저장매체는 2 개의 제2 용기(3a, 3b) 사이에서 앞뒤로 이동(예를 들어 펌핑)된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치(800)를 도시한다. 도 8의 실시예에서, 중간 온도의 열 저장조로서 작용하는 제 3 저장조(50)가 제공된다. 제1 저장조(2), 제2 저장조(3) 및 제 3 저장조(50) 각각은 내부에 하나 이상의 열교환기를 갖는 저장 탱크를 포함한다. 도 8의 실시예는 열교환기를 탱크 내에 배치함으로써 일부 보조 펌핑 부하의 제거가 가능한 방법을 예시한다. 또한, 제2 저장조(3)에서 배출되는 폐열은 제 3 저장조(50)에 포획될 수 있다. 이러한 특징은 전술한 실시예 중 어느 것에도 포함될 수 있다. 도 8의 특정 실시예에서, 제1 및 제2 저장매체는 장치(800)의 정상 작동 중에 상을 변화시키지 않는 액체 매질이다. 이러한 방식으로, 열 에너지는 제1 및 제2 저장조(2,3)에서의 적절한 가열 및 냉각을 통해 저장될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열역학적 사이클 장치(900)를 개략적으로 도시한다. 도 9의 장치(900)는 도 1의 장치(100)와 동일하지만 열원(54) 및 히트싱크(55)를 추가적으로 포함한다. 이와 같이, 추가 구성 요소(54, 55) 및 관련 동작(이하 설명됨)은 전술 한 실시예 중 어느 것에나 추가될 수 있다.
열원(54)은 히트펌프(1)를 작동시키며, 히트펌프(1)가 제1 저장조(2)로부터 열을 뺏지 않고 제2 저장조(3)를 가열시키도록 한다. 이 배치는, 앞서 장치(900)가 제1 배출모드가 작동되지 않았고 제2 배출모드로 작동된 경우에 사용될 수 있다(즉, 제2 저장조(3)의 재충전).
히트싱크(53)는 히트펌프(1)를 작동시키며, 히트펌프(1)가 제2 저장조(3)를 가열하지 않고 제1 저장조(2)를 냉각시키도록 한다. 이 배치는, 앞서 장치(900)가 제2 배출모드가 작동되지 않았고 제1 배출모드로 작동된 경우에 사용될 수 있다(즉, 제1 저장조(2)의 “재충전”).
도 10은 본 발명의 특정 실시예에서 이용될 수 있는 전력 전자 장치(52)를 개략적으로 도시한다. 전력 전자 장치(52)는 제1 팽창기(6) 또는 제2 팽창기(11) 중 어느 하나를 포함할 수 있는 발전 팽창기(expander generator)에 전기적으로 연결되어 도시된다. 전력 전자 장치(52)는 발전 팽창기(expander generator)(6,11)의 발전기를 조절하고 로컬 그리드에 대한 모든 연결 프로토콜을 처리하도록 구성된다. 용량성 저장장치(53)(즉, 캐패시터)가 제공되며, 스테이지 사이에 DC 전압 버스가 있는 곳에서 전력이 요구되는 시간과 전력이 공급되는 시간의 차이를 감소시키는 역할을 할 수 있다. 전력 전자 장치(52)는 또한 전력이 요구될 때보다 빠른 시동 시간을 허용하도록 팽창기-발전기(6, 11)를 구동하는데 이용될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 용량성 저장장치(53) 대신 혹은 그에 부가하여, 예를 들어 기계적 또는 전기적 일 수 있는 다른 부가적인 비 열성 에너지 저장 수단이 제공될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 비열성 에너지 저장 수단은 플라이휠, 압축 공기(또는 다른 가스) 또는 배터리 일 수 있다.
특정 실시예에서, 제1 및 제2 저장매체(제1 및 제2 저장조(2,4)에서의)의 저장 온도는 200 ℃ 이하, 100 ℃ 이하, -50 ℃ 이상 및/또는 -30 ° C 이상일 수 있다. 특정 실시예에서, 제1 저장매체의 저장 온도와 제2 저장매체의 저장 온도의 차이는 30 ℃ 내지 120 ℃ 일 수 있다. 특정 실시예에서, 제1 저장매체의 저장 온도와 제2 저장매체의 저장 온도의 차이는 30 ℃ 내지 60 ℃, 또는 대략 50 ℃ 또는 80 ℃ 내지 120 ℃ 일 수 있으며, 또는 약 100 ° C일 수 있다. 예를 들어, 제1 저장조의 저장 온도는 약 0 ℃ 일 수 있고 제2 저장조의 저장 온도는 약 50 ℃ 일 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 수백 ℃의 고온 및 -100 ℃ 이하의 저온을 필요로 하는 많은 선행 기술의 배치와는 대조적으로 적당하고 합리적인 온도에서 작동할 수 있다. 본 발명은 특정 실시예에서 주변, 환경 및 폐열과 같은 풍부하고 자유롭게 이용 가능한 열원을 이용함으로써 이를 달성할 수 있다. 이러한 실시예에서, 풍부한 열원의 낮은 변환 효율은 비교적 적당한 온도에서 작동함으로써 초래되는 열역학적 손실을 극복한다. 제2 저장조에 저장된 에너지에 대해 제1 저장조에 저장된 에너지를 독립적으로 방출하는 기능을 제공함으로써, 본 장치의 기작이 크게 단순화된다. 이는 본 장치가 쉽게 이용 가능한 구성 요소로부터 조립될 수 있고 높은 왕복 효율을 제공하고 낮은 자본 비용을 요구한다는 것을 의미한다.
일부 비한정적인 실시예에서, 구성 요소(9, 16, 31, 18)(열교환기들)에서 열을 가하기 위해 사용되는 열원은 외부 대기 공급원, 건물 내부 및 주거공간으로부터의 공기 공급원(예 : 소금물, 해수, 염수, 호수, 연못, 강, 운하, 수로), 지면 근원, 지열, 태양 열, 태양 연못, 생물학적으로 제거된 열(예 :혐기성 소화조, 호기성 소화조, 퇴비 더미, 배설물 더미, 하수도, 2 차 하수 슬러지), 산업 공정의 폐열 및 기타 발전 기술(예 : CCGT, 증기 터빈 등)의 폐열 중에 선택될 수 있다.
제1 증발기(9) 및 제2 응축기(12)를 위한 열원 및 싱크(sink)로서 "주위"열을 이용하는 실시예에서, 이들은 동일한 주변 열원이거나 동일한 온도일 필요는 없다(즉, 보조 히트싱크(15)에 강류를 사용하면 보조열원(10)으로 채용될 수 있는 공기 공급원과 비교하여 더 낮은 온도를 초래할 수 있다).
특정 실시예에서, 제1 및/또는 제2 팽창기(6,11)는 반경, 축 또는 충동(또는 다른) 터빈/터보 팽창기, 스크롤 팽창기, 스크류 팽창기, 테슬라 터빈 및 왕복기관 중에서 선택될 수 있다.
특정 실시예에서, 상술한 펌프(26, 8, 46, 29, 39, 13, 49)는 각각 원심 펌프, 활주식 베인 펌프, 지로터 펌프, 게롤러 펌프(geroller pump), 기어 펌프, 다이어프램 펌프, 피스톤 펌프, 플런저 펌프, 연동 펌프 및 로브 펌프 중에 선택될 수 있다.
특정 실시예에서(예를 들어, 제2 저장조(3)의 동시 충전 및 배출이 요구되지 않는 경우), 펌프 29 및 13는 도 3과 관련하여 전술한 실시예의 단일 펌프로 대체될 수 있고, 혹은 펌프 29 및 39는 도 4, 도 5, 도 6 및 도 7과 관련하여 전술한 실시예의 단일 펌프로 대체될 수 있다.
특정 실시예에서(예를 들어, 제1 및 제2 저장조(2,3)의 독립적인 충전 및 독립적인 제1 및 제2 배출모드가 요구되지 않는 경우), 제1 및 제2 팽창기(6,11)는 단일 발전기의 공통의 샤프트 상에 결합될 수 있다.
일부 실시예에서, 배출모드 중에 작동되어야 하는 펌프는 시스템 효율을 향상시키기 위해 팽창기(6, 11) 중 하나 또는 모두는 공통의 샤프트 상에 결합될 수 있다.
바람직한 실시예에서, PCM 및 이들과 접촉하는 임의의 유체를 이루는 캡슐화 재료는 서로 호환되도록 선택될 수 있다.
특정 실시예에 따라, 제1 및/또는 제2 팽창기(6, 11)로 들어가는 액상 작동유체를 방지하기 위해, 제1 및 제2 작동유체는 제어된 과열 여유치를 갖는 각각의 팽창기(6, 11)로 진입되어 작동될 수 있다.
제1 및 제2 열역학적 회로 내의 작동유체 레벨은 펌프에 대한 캐비테이션 손상을 방지하기에 충분한 과냉각을 제공하도록 제어될 수 있다.
적합한 PCM을 선택하기위한 기준은, PCM의 융점, PCM이 접촉할 수 있는 임의의 물질과의 내약품성, 화학적 불활성, 안정성, 비용 및 안전성 중 어느 하나 또는 모두를 포함할 수 있다.
적합한 제1 및 제2 작동유체를 선택하기 위한 기준은, 열원 및 히트싱크의 온도, PCM의 저장 온도, 비용, 안전성, 안정성, 불활성, 내약품성 및 냉매로서의 엔트로피 특성 어느 하나 또는 모두를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 장치는 모듈식일 수 있다. 제1 저장조(2) 또는 제2 저장조(3) 중 어느 하나 또는 모두는 확장형 시스템을 생성하기 위해 함께 매니폴드 될 수 있는 2 개 이상의 탱크를 포함할 수 있다.
추가의 냉각원이 이용 가능한 경우, (예를 들어, 산업 또는 극저온 공정으로부터의 냉기, 팽창하는 기체) 제2 열역학적 회로(5)에서 제2 응축기(12) 이후에, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7 및 도 8과 관련하여 상술한 예에서 제1 응축기(7) 이후에, 그리고 도 3과 관련하여 상술한 예에서 펌프(8)로 진입하기 전에, 각각의 작동유체의 응축 압력을 추가로 가하거나 작동 유체 펌프로 들어가기 전에 작동유체에 추가의 과냉각을 가하기 위해 추가의 열교환기가 포함될 수 있다.
제2 저장조(3)의 열 저장 온도보다 상당히 높은 온도로 열원을 사용할 수 있는 실시예의 경우, 높은 저장 온도를 갖는 저장매체 이용한 추가적인 열 저장 또는 저장(즉, 하나 이상의 추가 저장조 또는 저장 용기) 장치가 이와 같은 높은 온도의 열원을 저장하기 위해 사용될 수 있다. 이는 제2 초기용기가 액체인 제2 작동유체를 여전히 제2 작동유체가 액체인 상태의 온도로 가열한 다음, 제2 이차용기에 저장된 열을 이용하여 제2 작동유체의 증발을 수행하도록 활용될 수 있다. 대안적으로, 이는 제2 초기용기가 제2 작동유체를 증발시키는데 이용될 수 있고, 그 후, 제2 이차용기가 제2 팽창기로 들어가기 전의 제2 작동유체를 과열시키는데 이용될 수 있다. 이는 또한 제1 작동유체를 증발시키거나 과열시키는 추가 열원으로서 이용될 수 있다.
제1 저장조(2)의 저장 온도보다 상당히 낮은 온도로 냉각원을 사용할 수 있는 실시예의 경우, 낮은 저장 온도를 갖는 저장매체 이용한 추가적인 열 저장 또는 저장 장치(즉, 하나 이상의 추가 저장조 또는 저장 용기)가 이와 같은 낮은 온도의 열원을 저장하기 위해 사용될 수 있다. 이는 제1 초기용기가 제1 작동유체를 여전히 제1 작동유체가 기체인 상태의 온도로 냉각한 다음, 제1 이차용기가 낮은 응축 압력으로 제1 작동유체의 응축을 수행하도록 활용될 수 있다. 대안적으로, 이는 제1 초기용기가 제1 작동유체를 응축시키는데 이용될 수 있고, 제1 이차용기가 펌프로 들어가기 전의 제1 작동유체를 과냉각시키는데 이용될 수 있다. 이는 또한 제2 작동유체를 응축시키거나 과냉각시키는 추가적인 히트싱크로서 이용될 수 있다. 특정 실시예에서, 폐냉각은 제1 저장조(2)를 추가적으로 냉각시키기 위해(따라서 “충전”되는) 사용될 수 있다.
제1 및/또는 제2 저장매체가 캡슐화되지 않은 PCM을 포함하는 실시예에서, 캡슐화되지 않은 PCM은 단편화될 수 있는 고체(예를 들어, 슬러리와 대조적으로)로 저장될 수 있다. 단편화 될 수 있는 고체는 분리될 수 있도록 단편화 되는 고체이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 히트펌프(1)는 전기적으로 구동될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 장치는 다른 형태의 에너지를 저장하는 데 사용될 수 있으며, 이러한 다른 형태(예를 들어, 기계적 에너지, 가스 구동 시스템 등)는 히트펌프에 동력을 공급하기 위해 사용될 수 있다
특정 실시예에서, 빠른 응답을 하는 팽창기 발전기를 통해 보다 빠른 시동 시간을 얻기 위해, 제1/제2 팽창기로 통하는 라인/배관은 기체 상태의 제1/제2 작동유체로 가압 상태로 유지될 수 있어서, 조절기/밸브(34, 35)가 개방될 때, 제1/제2 팽창기에 도달하는 기체에는 어떠한 수송 지연도 없게 된다.
전술한 실시예들의 임의의 적절한 조합이 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있으며, 그러한 조합에 대한 보호가 본 발명에 의해 추구된다. 예를 들어, 특정 조합 및 실시예(“구성들”)는 아래 표에 열거되며, "저온측"은 히트펌프(1)의 저온측에 열적으로 연결된 형상을 포함하고, "고온측"은 히트펌프(1)의 고온측에 열적으로 연결된 형상을 포함한다. 도면에 대한 참조 부호는 참조된 도면에 도시된 저온/고온측 특징 및/또는 참조된 도면과 관련하여 전술한 특징을 특정한다.
저온측 고온측
구성 1 도 3 도 3
구성 2 도 3 도 4
구성 3 도 3 도 5
구성 4 도 3 도 6
구성 5 도 3 도 7
구성 6 도 4 도 3
구성 7 도 4 도 4
구성 8 도 4 도 5
구성 9 도 4 도 6
구성 10 도 4 도 7
구성 11 도 5 도 3
구성 12 도 5 도 4
구성 13 도 5 도 5
구성 14 도 5 도 6
구성 15 도 5 도 7
구성 16 도 6 도 3
구성 17 도 6 도 4
구성 18 도 6 도 5
구성 19 도 6 도 6
구성 20 도 6 도 7
구성 21 도 7 도 3
구성 22 도 7 도 4
구성 23 도 7 도 5
구성 24 도 7 도 6
구성 25 도 7 도 7
본 명세서의 상세한 설명 및 청구 범위에 걸쳐, "포함한다" 및 "함유하다"의 단어 및 그 변형은 "포함하지만 이에 한정되지는 않는다"를 의미하며, 다른 성분(moieties), 첨가제, 구성요소, 정수(integers) 또는 단계를 배제하려는 것은 아니다(및 배제하지 않는다). 본 명세서의 상세한 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐, 단수는 문맥상 달리 요구되지 않는 한 복수를 포함한다. 특히, 부정사가 사용되는 경우, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, 복수형 및 단수형을 고려하는 것으로 이해 되어야한다.
본 발명의 특정 양태 또는 실시예로 설명된 특징, 정수, 특성, 화합물, 화학 성분 또는 그룹은 양립 불가능하지 않는 한 본원에 기재된 다른 양태 또는 실시예에 적용 가능한 것으로 이해 되어야한다.
명세서(청구항, 요약서 및 도면 포함)에 개시된 모든 특징 및/또는 개시된 모든 방법 또는 과정의 모든 단계는, 일부의 특징 및 /또는 단계가 상호 배타적인 조합인 경우를 제외하고, 임의의 조합으로 구성될 수 있다. 본 발명은 전술한 실시예들의 세부 사항에 제한되지 않는다. 본 발명은 본 명세서(청구항, 요약서 및 도면 포함)에 개시된 특징들의 임의의 신규한 발명 또는 임의의 새로운 조합으로 확장될 수 있고, 또는 개시된 방법 또는 과정의 단계들의 임의의 신규한 발명 또는 임의의 새로운 조합으로 확장될 수 있다.
독자의 주의은 본 명세서와 동시에 또는 이 명세서와 함께 제출되고 이 명세서와 함께 공중에 공개되는 모든 자료 및 문서에 대한 것이며, 그러한 모든 자료 및 문서의 내용은 본원에 참고로 포함된다.

Claims (93)

  1. 열역학적 사이클 장치로서,
    (i) 제1 저장매체를 수용하는 제1 저장조;
    (ⅱ) 제2 저장매체를 수용하는 제2 저장조;
    (iii) 상기 제1 저장매체를 냉각시키기 위해 상기 제1 저장조에 열적으로 결합되는 저온측 및 상기 제2 저장매체를 가열하기 위해 상기 제2 저장조에 열적으로 결합되는 고온측을 갖는 히트펌프;
    (iv) 제1 작동유체가 흐르는 제1 열역학적 회로;
    상기 제1 열역학적 회로는,
    제1 가압증기를 생성하도록 상기 제1 작동유체를 증발시키는 제1 증발기;
    상기 제1 가압증기를 팽창시키도록 배치된 제1 팽창기; 및
    상기 제1 팽창기로부터 전달된 상기 제1 작동유체를 응축시키고 상기 제1 작동유체를 상기 제1 증발기에 공급하도록 배치되며 상기 제1 저장조에 열적으로 결합되는 되는 제1 응축기; 를 포함하며,
    (v) 제2 작동유체가 흐르는 제2 열역학적 회로;
    상기 제2 열역학적 회로는,
    제2 가압증기를 생성하도록 상기 제2 작동유체를 증발시키며 상기 제2 저장조에 열적으로 결합되는 제2 증발기;
    상기 제2 가압증기를 팽창시키도록 배치된 제2 팽창기; 및
    상기 제2 팽창기로부터 전달된 상기 제2 작동유체를 응축시키고 상기 제2 작동유체를 상기 제2 증발기에 공급하도록 배치된 제2 응축기; 를 포함하며,
    (vi) 보조열이 상기 제1 가압증기의 생성에 기여하도록 상기 제1 열역학적 회로에 열적으로 연결된 보조열 입력수단; 및
    (vii) 상기 제2 작동유체의 열이 보조 히트싱크로 손실될 수 있도록 상기 제2 열역학적 회로에 열적으로 연결된 보조열 출력수단; 을 포함하고,
    상기 제1 열역학적 회로는 상기 제2 열역학적 회로와 열적으로 독립적이고, 상기 장치는 충전모드, 저장모드 및 배출모드로 작동 가능하며;
    상기 충전모드에서, 상기 히트펌프는 동력이 공급되어 상기 제1 저장매체를 냉각시키고 상기 제2 저장매체를 가열하며;
    상기 저장모드에서, 냉각된 상기 제1 저장매체는 상기 제1 저장조에 저장되고 가열된 상기 제2 저장매체는 상기 제2 저장조에 저장되며;
    상기 배출모드에서, 상기 제1 가압증기의 상기 제1 팽창기에 의한 팽창 및/또는 상기 제2 가압증기의 상기 제2 팽창기에 의한 팽창이 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 팽창기 또는 상기 제2 팽창기 중 어느 하나 또는 모두는 터빈, 스크롤 팽창기, 스크류 팽창기, 테슬라 터빈 또는 왕복 기관 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제1 팽창기 또는 상기 제2 팽창기 중 어느 하나 또는 모두는 발전을 위한 발전 팽창기(expander-generator); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 열역학적 회로 또는 상기 제2 열역학적 회로 중 어느 하나 또는 모두는 상기 제1 작동유체 또는 상기 제2 작동유체를 순환시키기 위한 펌프; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1 항에 있어서, 상기 보조열 입력수단을 통해 상기 보조열을 상기 제1 열역학적 회로에 공급하기 위한 보조열원; 을 더 포함하며,
    상기 보조열원은, 외부 대기 공급원, 건물 내부의 공기 공급원, 공조 또는 냉각 시스템으로부터 방출된 열, 주위 수원, 지상 근원, 지열원, 태양 열원, 태양 연못(solar pond), 생물학적 활성 열원, 산업 폐열, 또는 발전으로 인한 폐열 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 삭제
  12. 제1 항에 있어서, 상기 보조열 출력수단을 통해 상기 제2 열역학적 회로로부터 열을 전달받는 보조 히트싱크; 를 더 포함하고,
    상기 보조 히트싱크는, 외부 대기 공급원, 건물 내부의 공기 공급원, 주위 수원, 지상 근원 및 폐냉각원 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 삭제
  14. 제1 항에 있어서, 상기 제2 열역학적 회로는 추가적인 보조열이 상기 제2 가압증기의 생성에 기여하도록 추가적인 보조열 입력수단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 삭제
  16. 제1 항에 있어서, 상기 제1 증발기와 상기 제1 팽창기 사이에 제1 과열기; 를 더 포함하며, 상기 제1 과열기는 상기 제1 작동유체를 과열하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제1 항에 있어서, 상기 제2 증발기와 상기 제2 팽창기 사이에 제2 과열기; 를 더 포함하며, 상기 제2 과열기는 상기 제2 작동유체를 과열하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제1 항에 있어서, 상기 제2 응축기와 상기 제2 증발기 사이에 예열기; 를 더 포함하며, 상기 예열기는 상기 제2 작동유체를 가열하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제1 항에 있어서, 상기 제1 저장매체 또는 상기 제2 저장매체 중 어느 하나 또는 모두는 캡슐화된 상변화물질 또는 캡슐화되지 않은 상변화물질; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제1 항에 있어서, 상기 히트펌프의 저온측은 제1 열전달유체가 흐르는 제1 열전달 회로에 의해 상기 제1 저장조에 열적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 제1 저장매체는 캡슐화되지 않은 상변화물질을 포함하고, 상기 제1 열전달유체는 상기 제1 저장매체에서 혼화되지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제1 항에 있어서, 상기 히트펌프의 고온측은 제2 열전달유체가 흐르는 제2 열전달 회로에 의해 상기 제2 저장조에 열적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 삭제
  24. 제1 항에 있어서, 상기 제1 저장조는 제 3 열전달유체가 흐르는 제 3 열전달 회로에 의해 상기 제1 열역학적 회로의 상기 응축기에 열적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 삭제
  26. 제1 항에 있어서, 상기 제2 저장조는 제 4 열전달유체가 흐르는 제 4 열전달 회로에 의해 상기 제2 열역학적 회로의 상기 증발기에 열적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 삭제
  28. 제1 항에 있어서, 상기 히트펌프는 냉매가 흐르는 냉동 회로; 를 포함하고, 상기 냉동 회로는 냉동 압축기, 냉동 증발기, 냉동 응축기 또는 가스 냉각기 및 상기 냉매를 팽창시키는 냉동 팽창 수단을 포함하고,
    상기 히트펌프의 저온측은 상기 냉동 증발기를 포함하고, 상기 히트펌프의 고온측은 상기 냉동 응축기 또는 상기 가스 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 제1 항에 있어서, 상기 제1 저장매체 및/또는 상기 제2 저장매체는 상기 충전모드, 상기 저장모드, 또는 상기 배출모드 중 어느 하나의 작동 중에 상변화가 없는 액체; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 삭제
  35. 삭제
  36. 제1 항에 있어서, 상기 제1 저장조 및/또는 상기 제2 저장조에 배치된 하나 이상의 열 교환기; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  37. 삭제
  38. 삭제
  39. 삭제
  40. 삭제
  41. 제1 항에 있어서, 상기 제1 열역학적 회로 또는 제2 열역학적 회로 중 어느 하나 또는 모두는 랭킨 사이클(Rankine cycle), 로렌츠 사이클(Lorenz cycle) 또는 칼리나 사이클(Kalina cycle)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  42. 삭제
  43. 열역학적 사이클 장치를 작동시키는 방법으로서,
    (a) 열역학적 사이클 장치를 제공하는 단계로서,
    (i) 제1 저장매체를 수용하는 제1 저장조;
    (ⅱ) 제2 저장매체를 수용하는 제2 저장조;
    (iii) 상기 제1 저장매체를 냉각시키기 위해 상기 제1 저장조에 열적으로 결합되는 저온측 및 상기 제2 저장매체를 가열하기 위해 상기 제2 저장조에 열적으로 결합되는 고온측을 갖는 히트펌프;
    (iv) 제1 작동유체가 흐르는 제1 열역학적 회로;
    상기 제1 열역학적 회로는,
    제1 가압증기를 생성하도록 상기 제1 작동유체를 증발시키는 제1 증발기;
    상기 제1 가압증기를 팽창시키도록 배치된 제1 팽창기; 및
    상기 제1 팽창기로부터 전달된 상기 제1 작동유체를 응축시키고 상기 제1 저장조에 열적으로 결합되는 상기 제1 작동유체를 상기 제1 증발기에 공급하도록 배치되는 제1 응축기; 를 포함하고,
    (v) 제2 작동유체가 흐르는 제2 열역학적 회로;
    상기 제2 열역학적 회로는,
    제2 가압증기를 생성하도록 상기 제2 작동유체를 증발시키며 상기 제2 저장조에 열적으로 결합되는 제2 증발기;
    상기 제2 가압증기를 팽창시키도록 배치된 제2 팽창기; 및
    상기 제2 팽창기로부터 전달된 상기 제2 작동유체를 응축시키고 상기 제2 작동유체를 상기 제2 증발기에 공급하도록 배치된 제2 응축기;
    (vi) 보조열이 상기 제1 가압증기의 생성에 기여하도록 상기 제1 열역학적 회로에 열적으로 연결된 보조열 입력수단; 및
    (vii) 상기 제2 작동유체의 열이 보조 히트싱크로 손실될 수 있도록 상기 제2 열역학적 회로에 열적으로 연결된 보조열 출력수단; 을 포함하고,
    상기 제1 열역학적 회로는 상기 제2 열역학적 회로와 열적으로 독립적이며;
    (b) 상기 히트펌프에 동력을 공급하여 상기 제1 저장매체를 냉각시키고 상기 제2 저장매체를 가열하는 충전모드로 상기 장치를 작동시키는 단계;
    (c) 냉각된 상기 제1 저장매체를 상기 제1 저장조에 저장하고 가열된 상기 제2 저장매체를 상기 제2 저장조에 저장하는 저장모드로 상기 장치를 작동시키는 단계;
    (d) 보조열원을 사용하여 상기 제1 증발기에서 상기 제1 가압증기를 생성하고, 상기 제1 팽창기로 상기 제1 가압증기를 팽창시키고, 상기 제1 응축기에서 상기 제1 작동유체를 응축시키는 제1 배출모드로 상기 장치를 작동시키는 단계; 및
    (e) 상기 제2 저장조로부터 전달된 열을 사용하여 상기 제2 증발기에서 상기 제2 가압증기를 생성하고, 상기 제2 가압증기를 팽창시키고, 보조 히트싱크를 사용하여 상기 제2 응축기에서 상기 제2 작동유체를 응축시키는 제2 배출모드로 상기 장치를 작동시키는 단계; 를 포함하고
    상기 (d) 및 (e) 단계는 동시에 서로 독립적으로 실행 가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 삭제
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  51. 삭제
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  57. 삭제
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  59. 삭제
  60. 삭제
  61. 제 43 항에 있어서, 상기 제1 저장매체 및 상기 제2 저장매체 중 어느 하나 또는 모두는 캡슐화된 상변화물질 또는 캡슐화되지 않은 상변화물질을 포함하고; 선택적으로, 상기 제1 저장매체가 캡슐화되지 않은 물질을 포함하고 상기 충전모드의 작동 종료 시 상기 제1 저장매체를 슬러리 또는 단편화가 가능한 고체로 저장하는 단계; 및/또는 상기 제2 저장매체가 캡슐화되지 않은 물질을 포함하고 상기 제2 배출모드의 작동 종료 시 상기 제2 저장매체를 슬러리 또는 단편화가 가능한 고체로 저장하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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  63. 삭제
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  83. 제 43 항에 있어서, 상기 제1 열역학적 회로는 단일 경로 열교환기; 를 포함하고, 상기 방법은 상기 제1 배출모드에서 상기 장치를 작동시킬 때, 상기 제1 저장매체를 상기 단일 경로 열교환기를 통하도록 흘려 상기 제1 저장매체를 층화시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  84. 제 43 항에 있어서, 상기 제2 열역학적 회로는 단일 경로 열교환기를 포함하고, 상기 방법은 상기 제2 배출모드에서 상기 장치를 작동시킬 때, 상기 제2 저장매체를 상기 단일 경로 열교환기를 통하도록 흘려 상기 제2 저장매체를 층화시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  85. 제 43 항에 있어서, 상기 장치는 상기 제1 팽창기 및 상기 제2 팽창기에 의해 출력된 에너지와 독립적으로 에너지를 출력하도록 배치된 추가적인 에너지 저장 수단; 및/또는 상기 방법은 선택적으로 상기 제1 배출모드 및/또는 상기 제2 배출모드에 의해 출력된 에너지가 소정 양에 도달할 때까지 상기 추가적인 에너지 저장 수단을 사용하여 전기 에너지의 출력을 제공하는 단계; 를 포함하고, 상기 추가적인 에너지 저장 수단은, 선택적으로 축전기, 배터리, 플라이휠 또는 기타 비열성 전기적 또는 기계적 에너지 저장 수단인 것을 특징으로 하는 방법.
  86. 삭제
  87. 삭제
  88. 제 43 항에 있어서, 상기 제1 작동유체 및/또는 상기 제2 작동유체가 투입되기 전에 상기 제1 팽창기 및/또는 상기 제2 팽창기를 구동하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  89. 제 43 항에 있어서, 상기 장치는 상기 제1 팽창기의 입구에 연결된 제1 배관; 을 더 포함하고, 상기 방법은 상기 제1 배출모드의 작동 전에 가스 상태의 상기 제1 작동유체로 상기 제1 배관을 가압하는 단계; 및/또는 상기 장치는 상기 제2 팽창기의 입구에 연결된 제2 배관을 더 포함하고, 상기 방법은 상기 제2 배출모드의 작동 전에 가스 상태의 상기 제2 작동유체로 상기 제2 배관을 가압하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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