KR102606036B1 - 상변환물질 열저장시스템 내 액티브 결정화 제어 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용융/결정화 사이클을 수행함으로써 열에너지를 저장하고 방출하는 상변환물질(PCM)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 제어된 열영역을 통하여 과냉 상변환물질(PCM)의 핵이 형성되는 열저장시스템을 기술한다.
Description
본 발명은 용융/결정화 사이클을 겪음으로써 열에너지를 저장하고 방출하는 상변환물질(PCM)에 관한 것이다.
상변환물질(PCM)은 용융/결정화 사이클을 겪음으로써 열에너지를 저장하고 방출한다.
PCM에 관한 한가지 논점은 일정하지 않은 핵형성(nucleation) 온도이다.
결정화 프로세스의 첫번째 단계인 핵형성은 PCM 과냉(sub-cooling)(용융점 아래에 있지만 결정화하지 않음) 때문에 발생하지 않을 수 있고, 또는 다른 온도에서, 또는 다른 시간에서, 또는 다른 냉각율에서 등등 발생할 수 있다.
이러한 문제는 PCM 격납부 내에 제어되는 열영역을 생성함으로써 극복되어 이용되어 왔고, 이로써 핵이 형성되는 것을 제어하여, 일정하고 예측가능하며 선택할 수 있는 결정화를 달성할 수 있다.
핵형성은 또한 시드 결정체를 추가함으로써 개시될 수 있다. 예를 들어, 이는 기계적인 수단, 즉 결정체 드롭퍼 또는 비슷한 것을 통하여, 시드 결정체(즉, 벌크 내에 결정화를 개시하도록 과냉 용액 또는 액체에 시드 결정체를 적하시키는 것과 비슷함)를 부가함으로써; 또는 일부 물질이 결정화될 때 영역을 가짐으로써 이루어질 수 있다. 결정화된 물질 및 벌크 과냉된 용액/액체와 접촉이 이루어질 수 있고, 그 후 접촉이 이루어지지 않을 수 있다; 또는 한정된 기하구조로부터 시드 결정체를 배출, 시드 결정체가 존재하지만 벌크 과냉 용액 또는 액체와 충분히 직접적으로 접촉하지 않고, 배출순간까지 벌크의 결정화를 유발함, 즉, 스탬핑된 금속 플레이트/디스크가 가질 수 있는 크랙을 갖는 물질. 예를 들어, 이는 시드 결정체가 보통의 용융점 이상에서 잔존할 수 있는 미세한 크랙일 수 있고, 활성화될 때, 예를 들어 구부러질 때, 크랙이 개방되어 시드 결정체를 배출하고, 벌크 용액/액체의 결정화가 이루어진다.
결정화를 개시하기 위해 시드 결정체를 사용하는 방법은 주로 두 가지 방법에 적용될 수 있다: 능동적 방법 및 수동적 방법. 능동적인 방법에서, 메커니즘은 활성화되고(예를 들어 전기신호, 물 유동의 존재, 기계적인 버튼, 외부압력차이를 통해서), 시드 결정체가 벌크 용액/액체로 배출되거나 부가되어, 벌크 결정화가 이루어진다. 물리적인 실시예에서, 이는, 예를 들어 결정체 적하 메커니즘, 기계적인 수단을 통해서 변형/굽힘이 이루어지거나 전기/전기장이 통과/인가될 때 기하학적 구조/형상이 변하는 금속 플레이트/디스크, 또는 개방되어 결정화된 물질의 샘플과 벌크 과냉된 용액/액체 사이에서 접촉할 수 있는 밸브일 수 있고, 또는 밸브와 대조적으로, 결정화된 물질의 샘플을 과냉된 용액/액체 안에 '담그고'(dunk) 그 후 '꺼낼'(un-dunk) 수 있다. 예를 들어, 이는 바늘/얇은 막대 등등의 끝부분에 있을 수 있다. 수동적인 실시예에서, 시드 결정체가 외부의 메커니즘 없이 생성되지만, 벌크 물질의 온도에 의해 개시되며, 즉 과냉 용액/액체가 설정온도 밑으로 떨어질 때, 프로세스가 개시되어, 시드 결정체를 배출한다. 예를 들어, 이는 예를 들어 두 가지 금속으로 이루어진 잠겨있는 금속 플레이트/디스크일 수 있고, 설정 온도에서 필요시 휘어지고 그리고 나서 시드 결정체를 배출하여, 벌크 결정화를 개시한다. 이로써 얻는 효과는 과냉의 효과를 크게 관찰할 수 없는 물질을 갖는 것이다.
관련된 문제는 열적으로 구동된 "비활성화 프로세스"를 통하여 수동적으로 과냉을 방지하기 위해 사용된 기핵제가 핵형성 성질을 잃을 수 있다는 것이다. 이에 대한 한가지 예는, 핵형성부(nucleator)가 특정 수화물이 될 필요가 있는 경우, 이 수화물이 용융/탈수될 수 있다는 것이다. 따라서, PCM 격납부 내의 능동적으로 제어된 열 영역은 핵형성부를 기능적으로 계속 유지하는데 사용될 수도 있다.
단일 시스템 내에서 다수의 동일하거나 다른 방법들을 사용하면, 여러 위치에서 시작되는 핵형성의 결과로서, 결정화 속도를 증가시키는 것처럼 큰 이점을 가질 수 있다.
EP1186838은 열저장부 타입의 히터와 열을 생성하고 배출하는 것 사이의 시간 지연을 보상하는 제어방법에 관한 것이다.
US2015/034587은 잠열 저장 물질 내에 결정체 핵을 형성하는 방법 및 열저장장치에 관한 것이다.
US4,199,028은 열에너지 저장장치에 관한 것으로서, 매끄럽고 결함이 없는 내벽을 갖는 소다석회유리를 이용하는 방법 및 장치가 있다. 용기는 상변환물질로 채워질 수 있다.
DE102014208616은 열저장장치 및 열저장물질의 결정화를 개시하는 방법에 관한 것이다.
그러나, 위에서 언급된 선행기술 문서 중 아무것도 본 발명에서 청구하는 열저장시스템에 관련되어 있지 않다. 선행기술의 시스템은, PCM이 비활성화 온도 위/근처에 있을 때 능동적으로 일부 기핵제를 계속 비활성화 온도 아래에 있게 하는 유지된 냉점이 존재하기 때문에 배출시 과냉을 나타내지 않는다.
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DE102014208616은 열저장장치 및 열저장물질의 결정화를 개시하는 방법에 관한 것이다.
그러나, 위에서 언급된 선행기술 문서 중 아무것도 본 발명에서 청구하는 열저장시스템에 관련되어 있지 않다. 선행기술의 시스템은, PCM이 비활성화 온도 위/근처에 있을 때 능동적으로 일부 기핵제를 계속 비활성화 온도 아래에 있게 하는 유지된 냉점이 존재하기 때문에 배출시 과냉을 나타내지 않는다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 목적은, 과냉된 상변환물질(PCM)에 대하여 제어된 열영역을 통하여 핵이 형성되는 향상된 상변환물질을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1특징에 따르면, 제어된 열 영역을 통하여 과냉된 상변환물질(PCM)에 핵형성이 이루어지는 열저장시스템이 제공된다.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 냉점의 생성에 의해 과냉된 PCM에 핵형성이 이루어지는 열저장시스템이 제공된다. 냉점은 핵형성을 개시하도록 하는데 충분히 차가운 상태에 있는 과냉된 PCM 내에 있는 작은 영역으로 기술할 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, PCM을 사용하는 방법이 제공되는 데, 이 방법에서는, PCM이 격납용기에 수용되고 내부에 열교환기를 구비하여, 열 또는 냉기(열에너지)를 PCM 안쪽으로/바깥쪽으로 전달한다.
저온 쇼크(cold shock)는, 열전기 장치에 의해서, 또는 압축증기 사이클 장치에 의해서, 또는 히트 파이프에 의해서, 또는 스위칭가능한 히트 파이프에 의해서, 또는 한랭 물질, 즉 드라이 아이스, 액체질소를 가지고 PCM과 열적으로 접촉하는 영역을 냉각시킴으로써, 또는 매우 흡열성으로 증발하는 물질을 급속히 팽창시킴으로써, 생성될 수 있다.
PCM이 용융점에 도달할 때 능동적으로 일부 PCM을 계속 결정상태에 있게 하도록 열전기적으로 유지된 냉점이 존재하기 때문에 또는 압축증기 사이클에 의해서 또는 히트 파이프에 의해서 또는 스위칭가능한 히트 파이프에 의해서, 배출시에 과냉을 제공하지 않는 PCM 시스템이 또한 기재되어 있다.
또한, PCM이 비활성화 온도 위/근처에 있을 때 능동적으로 일부 기핵제를 계속 비활성화 온도 밑에 있게 하며 열전기적으로 유지된 냉점이 존재하기 때문에, 또는 압축증기 사이클에 의해서, 또는 히트 파이프에 의해서, 또는 스위칭가능한 히트 파이프에 의해서, 배출시에 과냉을 제공하지 않는 PCM 시스템이 기재되어 있다.
또한, 열전기 장치가 쌓여 있는 하나 이상의 열전기 장치로 구성되며, 선택적으로 열전기 인터페이스 사이에 히트 스프레더를 구비하고, 냉기 집중기를 생성하도록 열 절연부를 갖는 히트 스프레더에 의해 최종 저온 표면(cold face)이 구비된 시스템이 기재되어 있다.
열전기 장치의 저온 표면은 PCM과 접촉하며, 열전기 장치의 고온 표면은 주변환경, PCM 열교환기 또는 다른 PCM 저장시스템 중 하나와 열적으로 접촉하는 시스템이 또한 기재되어 있다.
열전기 장치의 저온 표면이 냉기 집중기를 갖는 시스템이 또한 기재되어 있다.
또한, 열전기 장치 또는 증기압축 사이클 장치 또는 히트 파이프 또는 스위칭가능한 히트 파이프의 고온 표면이, 주변환경, PCM 열교환기 또는 다른 PCM 저장시스템 중 하나와 열적으로 접촉하는 장시스템이 기재되어 있다.
또한, 전기저장부가 열전기 장치에 의해 충전되고, 동일한 열전기 장치가 동일한 전기저장부를 이용하여 나중에 냉기(coolth)를 생성하는 시스템이 기재되어 있다.
또한, 열전기 장치 또는 압축증기 사이클 장치가 전기 저장부로부터 전력을 공급받고, 상기 전기저장부는 로컬 전기공급부(예를 들어 네트워트 전기, 12v/24v/48v 차량 시스템)로부터 충전되는 장시스템이 기재되어 있다.
또한, 열전기 장치는 펄스폭변조(PWM)를 통해 제어되거나 바람직하게 직접구동방식으로 제어되는 시스템이 기재되어 있다.
또한, 열전기 장치 또는 열전기 장치 또는 압축증기 사이클 장치 또는 히트 파이프 또는 스위칭가능한 히트 파이프 내에 있거나 그 부근에 있는 온도센서가, 예를 들어 파워일렉트로닉스에 정보 피드백을 제공하는 시스템이 기재되어 있다.
아래의 도면을 참고하여 이제 본 발명을 설명하도록 한다:
도 1은 격납용기 내의 PCM 내에 열교환기를 포함하는 열저장시스템을 나타내는 도면으로서, 히트 싱크가 PCM 격납 시스템의 열교환기인 저온 쇼크 셋업을 보여준다;
도 2는 격납용기 내의 PCM에 열교환기를 포함하는 열저장시스템을 나타내는 도면으로서, 냉점 셋업을 보여주며, 히트 싱크는, 히트 싱크를 통하여 격납용기 외부에 있는 주위환경이다.
도 3은 냉점을 사용하여 달성할 수 있는 효과를 보여주는 도면이다. 콜드핑거를 갖는 시스템의 냉각곡선(실선)이 냉각되는 동안 결정화를 겪는 반면, 결정화 구간(plateau)이 없는 것으로 표시되어 있듯이 냉점이 없는 시스템(점선)은 그렇지 않다는 것을 볼 수 있다. 이러한 효과는, 냉점을 갖는 시스템이 훨씬 우수한 에너지 저장능력을 갖는 다는 것이다.
도 4는 저온 쇼크를 제공할 수 있는 쌓여 있는 열전기 장치 셋업을 나타내는 도면이다; 열전기 장치(TEG, A), 히트 스프레더(B) 및 절연부(C)를 구비하여 냉기 집중기의 역할을 한다.
도 5는 저온 쇼크 활성부를 갖는 과냉 PCM 저장부를 사용하는 것을 나타내는 도면이다. PCM은 결정화없이 주변환경으로 냉각되었다; 이 온도에서 일정시간 동안 유지된다; 그 후 저온 쇼크가 활성화된다; 결정화가 시작되고 PCM은 온도가 올라간다.
도 6은 냉기 집중기로 작동하도록 단일 열전기 장치(TEG, A), 히트 스프레더(B) 및 절연부(C)를 갖는 냉점을 나타내는 도면이다.
도 1은 격납용기 내의 PCM 내에 열교환기를 포함하는 열저장시스템을 나타내는 도면으로서, 히트 싱크가 PCM 격납 시스템의 열교환기인 저온 쇼크 셋업을 보여준다;
도 2는 격납용기 내의 PCM에 열교환기를 포함하는 열저장시스템을 나타내는 도면으로서, 냉점 셋업을 보여주며, 히트 싱크는, 히트 싱크를 통하여 격납용기 외부에 있는 주위환경이다.
도 3은 냉점을 사용하여 달성할 수 있는 효과를 보여주는 도면이다. 콜드핑거를 갖는 시스템의 냉각곡선(실선)이 냉각되는 동안 결정화를 겪는 반면, 결정화 구간(plateau)이 없는 것으로 표시되어 있듯이 냉점이 없는 시스템(점선)은 그렇지 않다는 것을 볼 수 있다. 이러한 효과는, 냉점을 갖는 시스템이 훨씬 우수한 에너지 저장능력을 갖는 다는 것이다.
도 4는 저온 쇼크를 제공할 수 있는 쌓여 있는 열전기 장치 셋업을 나타내는 도면이다; 열전기 장치(TEG, A), 히트 스프레더(B) 및 절연부(C)를 구비하여 냉기 집중기의 역할을 한다.
도 5는 저온 쇼크 활성부를 갖는 과냉 PCM 저장부를 사용하는 것을 나타내는 도면이다. PCM은 결정화없이 주변환경으로 냉각되었다; 이 온도에서 일정시간 동안 유지된다; 그 후 저온 쇼크가 활성화된다; 결정화가 시작되고 PCM은 온도가 올라간다.
도 6은 냉기 집중기로 작동하도록 단일 열전기 장치(TEG, A), 히트 스프레더(B) 및 절연부(C)를 갖는 냉점을 나타내는 도면이다.
a. PCM 열 저장 시스템
PCM을 사용하는 방법은, 격납용기 내에 PCM을 수용하고, 열교환기를 내부에 구비하여, 열 또는 냉기(열 에너지)가 PCM의 안/팎으로 전달하도록 하는 것이다.
도 1은 격납용기(12) 내부에 있는 열교환기(18)를 포함하는 열저장 시스템(10)을 나타낸다. 열교환기(18)는 격납용기(12) 내에 담겨있는 PCM(11)에 잠겨 있다. 열교환기(18)는 입력부(14)와 출력부(16)를 구비하고 있다. 열교환기(18)는 열저장 시스템 안쪽으로 및/또는 바깥으로 열을 전달하는 기능을 한다. 열교환기의 종류와 개수는 상관없이 사용할 수 있다.
도 1은 또한 저온 쇼크 영역의 셋업을 나타내며, 이는 보통 도면부호 20으로 표시된다. 저온 쇼크 영역(20)은 확대되어 있는데, 격납용기(10)의 상부에 위치한다. 확대도에서 볼 수 있듯이, 열전기장치(TEG)(24, 26)와 열교환 파이프(HX pipe)(28)가 있고, 열전기장치에 인접하여 저온 쇼크(22)가 있다. 또한, 전기 리드(30)가 열전기장치(24, 26)에 부착되어 있는 것을 볼 수 있다.
도 2는 또 다른 열저장 시스템(100)을 나타낸다. 열저장 시스템(100)은 격납용기(112) 내에 PCM(111)을 포함하고 있다. 열교환기(118)가 PCM(111) 내에 잠겨 있다. 열교환기(118)는 입력부(114)와 출력부(116)를 구비하고 있다. 열교환기(118)는 열저장 시스템(100)에 대하여 열을 안쪽으로 및/또는 바깥으로 전달하는 기능을 한다. 열교환기의 종류와 개수는 상관없이 사용할 수 있다.
도 2에 도시된 열저장 시스템(100)에는, 격납용기(112)의 하부에 저온 쇼크 영역(120)이 있다. 저온 쇼크 영역(120)은 확대되어 있는데, 한랭지점(128)이 있는 것을 볼 수 있다. 한랭지점(128) 부근에, 절연영역(124, 126)이 있다. 절연영역(124, 126) 아래에, 히트 싱크(122)가 있다.
도 2에서 볼 수 있듯이, 열저장 시스템(100)에서 히트 싱크는, 히트 싱크를 통하여 격납용기(112)의 외부에 있는 주위환경이다.
b.
열전기장치
b1. 열전기장치
열전기장치는 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용하여 작동하며, 작은 솔리드-상태의 스케일로 히트펌프 효과를 초래한다. 열전기장치는 보통 두께가 10mm 미만인 직사각형 플레이트로서, 두 개의 큰 표면에 세라믹 코팅이 되어 있다. 전류가 열전기장치를 통과할 때, 한쪽면에서 열이 발생하고, 다른쪽 면은 냉각된다. 이러한 열전기장치는 도 1에 도시된 열저장 시스템(10)에서 사용된다.
b2. 압축증기사이클 장치
압축증기사이클 장치는 유체의 비등(또는 증발)을 사용하여, 보통 폐루프 내에서 냉각을 제공하며, 여기에서 다른 위치(또는 동일함)에서는 또한 역프로세스(reverse process)(응축)가 일어난다.
b3. 히트 파이프 또는 스위칭가능한 히트 파이프
히트 파이프, 또는 스위칭가능한 히트 파이프는 내부에 액체 또는 기체를 갖고 있는 물체이며, 열이나 냉기가 물체의 하나 이상의 영역에 가해질 때 상변화가 있다.
스위칭가능한 히트 파이프가 더해진 제어가 제공된다. 그 효과는, 특정 온도 또는 온도범위에서 높은 레벨의 열전도성을 보여주는(선택적으로 스위칭가능한 경우) 물체이다.
c.
과냉
PCM이 과냉(sub-cool)되도록, 물질 전체가 녹아야만 한다. 즉, 녹지않은 물질이 있어서는 안되며, 만일 그렇지 않은 경우에는 녹지않은 물질이 결정성장(crystal growth)의 영역이 될 것이다.
이는 다음과 같은 관련문제를 갖는다: PCM이 과냉되려면 완전히 용융되어야만 한다. 물질이 완전히 녹지 않으면, 그 물질은 과냉되지 않을 것이다. 기핵제가 사용되는 경우(결정성장용 영역/표면을 제공하여 과냉을 방지하는 첨가물) 과냉은 수동적으로 피할 수 있다.
기핵제를 사용하는 것은, 어디에 위치하는지와 어떻게 담기는지, 즉 메쉬 또는 다공성 물질 내에 어떻게 담기는지를 조절함으로써 최적화될 수 있다.
d. 냉점
PCM이 일관된 핵형성을 보장할 수 있는 공지의 충분한 방법(예를 들어 첨가제)을 갖고 있지 않은 경우, 이를 사용하는 것을 막을 수 있다. 이를 극복하는 방법은, 열전기적으로 구동된 "냉점"을 갖는 격납부를 설계하는 것일 것이며, 이 냉점에서, 벌크 PCM (또는 다른 관련 결정체)의 결정체가 용융되지 않은 상태로 유지된다. 이것이 본 발명의 주안점이다.
이러한 결정체의 덩어리(mass)는 매우 작을 수 있다 - 이들은 시드 결정체로서 성장 포인트를 제공한다. 결정체의 덩어리를 작게 유지하는 것이 유리하다. 벌크 PCM이 충진된(용융된) 상태에 있을 때, 결정체의 덩어리는 계속 냉각될 필요가 있고, 바람직하게는 최소화되는 것이다.
이에 대한 기술적 효과는 도 3에서 볼 수 있다. 냉점을 사용함으로써 달성되는 효과가 도시되어 있다. 냉점을 갖는 시스템의 냉각곡선은 냉각되는 동안 결정화를 겪게 되고, 냉점이 없는 시스템은 결정화를 겪지 않는다는 것을 볼 수 있고, 결정화를 겪지 않는다는 것은 결정화 구간(crystallisation plateau)이 없는 것으로 표시되어 있다. 이에 대한 효과는, 냉점을 갖는 시스템은 훨씬 우수한 에너지 저장 용량을 갖고 더 높은 온도에서 작동한다(높은 엑서지)는 것이다. 이는 본 발명 및 본 발명에서 설명하는 열저장 시스템의 장점 중 하나이다.
냉점을 생성하고 유지하는 방법이 여러가지 있다. 이러한 방법은 여기에서 설명하도록 하며 본 발명의 일부를 구성한다.
(i) 구현
냉점의 전력소모는 벌크 PCM에서부터 냉점으로의 열전달율에 비례한다. - 따라서, 결정체(crystal)를 갖는 냉점과 PCM의 벌크 사이에서 절연수단을 갖는 것이 바람직하다는 것이 발견되었다.
절연을 너무 많이 사용하는 경우에는 냉점의 반응시간이 감소된다. 이는 내부 열교환기와 결정체의 저온 매스(cold mass) 사이의 "열 브리지"에 대한 필요때문이다. - 이러한 "열 브리지"는 냉점과 내부 열교환기 사이의 결정화 통로이다.
다른 방법은 PCM에 정반대로, 기핵제를 보호하도록 냉점을 사용하는 것이다.
수동적으로 과냉되는 것을 방지하기 위해 사용되는 핵형성 첨가제(nucleation additive)는 열적으로 구동된 '비활성화 프로세스'를 통해 핵형성물질의 성질을 잃을 수 있다.
이에 대한 한 가지 예는, 핵형성물질이 특정 수화물이 될 필요가 있는 경우, 수화물은 용융/탈수 할 수 있다는 것이다. PCM 격납부 내의 액티브하게 제어되는 열영역은, 핵형성물질이 계속 작동하도록 유지하는데 사용될 수 있다.
이와 관련된 장점은, 열전기 장치, 압축증기사이클 장치, 히트 파이프, 또는 스위칭가능한 히트 파이프가 자주 작동할 필요가 없다는 것이다. 이로써 운영비용을 줄이고, 수명을 늘릴 수 있는데, 냉점의 온도가 PCM의 벌크 온도 위에 있기 때문이다.
(ii) 최적화
·도 6에 도시된 것처럼, 냉 열전기 표면(316)은 높은 열전도성의 인터페이스 물질을 갖고 있고, 이 물질은 도 6에서 히트 스프레더(312)로 표시되어 있다.
도 6에 도시된 것처럼, 냉점이 있는데, 단일 열전기 장치(310)(TEG, A), 히트 스프레더(312)(B), 및 냉기 집중장치(cold concentrator)의 역할을 하는 절연부(314)(C)를 갖고 있다. 히트 스프레더는 그래파이트 시트 또는 구리나 알루미늄과 같은 금속일 수 있다. 이러한 절연부는 풀(paste) 또는 접착제 기반의 절연부일 수 있다.
높은 열전도성 인터페이스 물질(310)은, 노출되도록 남겨진 (예를 들어, 약 0.01mm - 5mm, 약 0.1mm - 2mm, 약 0.1mm - 1mm) 매우 작은 영역을 제외하고 높은 열전도성 인터페이스 물질 모두를 커버하기 위해 열 절연부(310)를 사용함으로써 보완된다. - 이는 하나의 작은 섹션을 향하여 냉기를 집중시키고, 따라서 더 낮은 온도를 달성하거나 파워 소모를 줄일수 있게 된다(즉, 냉기 집중장치(316)).
·열전기 장치(310)의 고온 측면부(318)는, 히트 싱크가 열을 소산하도록 할 것을 요구한다. 이것은: PCM 자체, PCM 시스템의 내부 열교환기 또는 바람직하게는 도 2에 도시된 주변환경일 수 있다. 도 2은 격납용기(112) 내에 있는 PCM(111)의 열교환기(118)를 나타낸다.
도 2는 냉점 셋업을 나타내는데, 히트 싱크는, 히트 싱크를 통하여 격납용기(112)의 외부에 있는 주변환경이다.
도 2에 열전기 장치(118)의 뜨거운 측면부가 제2 PCM 저장부(PCM 또는 내부 열교환기, 그러나 바람직하게는 열교환기)에 열적으로 연결되어 있는 확대도가 도시되어 있다. 이는, 열에너지가 보존되고 인접한 열저장부를 가열하는데 사용되는 점에서 추가적인 이점이 된다. 이러한 프로세스는 또한 하나의 열저장부로부터 다른 열저장부로 열을 펌핑하는데 사용될 수 있고, 이는 본 명세서에 참조로 통합되는 특허공보 WO 2011/058383에서 커버된다.
·온도센서는 열전기 장치의 냉각요구사항을 결정하기 위해 열전기 장치의 인터페이스 및 PCM 근처에 위치될 수 있다. 대안으로는, 온도센서가 열전기 장치에 대하여 내부에 있을 수 있고, 또는 히트 인터페이스 물질의 일부를 형성하거나 절연물질 내부에 있을 수 있다.
최적화는 또한 압축증기사이클 장치에 적용될 수 있다.
최적화는 또한 히트 파이프 또는 스위칭가능한 히트 파이프에 적용할 수 있다. 열전기 장치(TEG 또는 TED)의 뜨거운 측 또는 차가운 측에 하나 또는 다수의 히트 파이프를 사용함으로써, 열 영역에 대한 제어를 더 향상시킬 수 있다.
e. 배터리 파워
독립형 시스템, 즉 주전원에 연결되지 않았지만 모든 전력이 커패시터나 전기배터리와 같은 전기저장장치로부터 나오는 시스템을 갖는 것이 바람직한 애플리케이션이 존재한다.
열전기장치가 두 면 사이에 온도차이를 갖는 경우, "사실상" 열전기 장치를 거꾸로 작동시켜 전기로부터 온도차이를 생성하는 것이 아니라 온도차이로부터 전기를 생성하는 것이 가능하다. 이것은 전기저장부를 충전하는데 사용될 수 있다.
(i) 구현
·PCM의 충전 상태 동안, 내부 열교환기는 이를 통과하여 흐르는 뜨거운 열전달 유체를 갖는다. 열전기 시스템이 열교환기에 부착되어 있는 애플리케이션에서, 이는, 열전기 장치의 일측이 뜨꺼운 반면 반대측은 예를 들어 물질의 온도를 갖는 것 - 즉, 온도차이가 존재하는 상태를 초래한다.
·열전기 시스템이 열적으로 주변환경에 연결되어 있는 애플리케이션에서, 이는 열전기 장치의 일측이 차갑고 반대측은 예를 들어 물질의 온도를 갖는 상태를 초래한다. 물질은 주변환경 이상의 온도일 수 있다 - 즉, 온도차이가 존재할 수 있다.
·PCM 저장부는 완전히 용융되고 뜨겁다. 한쪽 표면은 열적으로 주변환경에 연결되어 있고 한쪽 표면은 PCM에 열적으로 연결되어 있는 열전기 장치가 존재한다. 따라서, 온도차이가 존재할 수 있다. 또한, 물질이 과냉되는 경우에, 열전기 장치로부터의 전기 생성으로부터의 냉각효과가 PCM을 향하게 되고, 이는 여하튼 주변환경을 냉각시킬 것이다.
(ii) 애플리케이션
독립형 시스템이 바람직한 애플리케이션의 예를 아래에 제공한다.
소형의 방한성(cold-resistant) 전기 저장부는, 연료전지의 작동을 향하여 허용되지 않는 주변온도에서 사용되는 연료전지 차량에 통합된 PCM에 저온 쇼크를 촉발한다. 따라서, 연료전지는 사용전에 예비-가열을 필요로한다. 이는 저온 쇼크를 통해 PCM 저장부를 활성화시킴으로써 달성될 수 있다.
대안으로서, 연료전지 차량은: 리튬이온 배터리와 같은 전기배터리 기반 시스템; 연소엔진; 또는 긴급열원(구명복)일 수 있다.
예를 들어 차량에서, 방한성 전기저장부를 충전하는데 사용될 수 있는 전기공급부를 때때로 이용할 수 있다. 이 전기 저장부는 나중에, 사용가능한 전기공급부가 없을 때(예를 들어, 최소 작동온도범위 아래에 있기 때문에 다른 시스템은 작동할 수 없다), 다른 시스템에 전달될 수 있는 열을 생성하는 PCM 시스템을 개시하도록 열전기 장치를 작동하는데 사용될 수 있고, 이로써 이러한 다른 시스템을 작동가능한 상태에 놓이게 한다.
f. 전력관리
열전기 장치는 DC 파워 서플라이가 필요하다. 일반적으로 열전기 장치는 비교적 높은 전류량, 낮은 전압의 DC 파워 서플라이를 필요로한다. 열전기 장치의 파워를 조절하는 것이 유익할 수 있다.
(i) 실행
열전기 파워 조절에 대하여 두 가지의 일반적인 방법이 알려져 있다: 펄스파변조(PWM) 또는 직접구동방식. 파워소모를 줄이기 위해서는 직접구동이 더 바람직하다.
g. PCM 열 저장부와,
열전기
장치 또는
압축증기사이클
장치의 통합
열전기 장치 또는 압축증기사이클 장치의 내부 전기소자가 오염되는 것을 방지하기 위해, 방수/PCM에 저항하는 물질을 갖는 열전기 장치 또는 압축증기사이클 장치의 전기소자를 보호하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 것에 대한 비제한적인 예들은 다음과 같다: 전기 포팅(potting) 컴파운드; 실리콘 실런트; 글루 등등.
위에서 본 발명의 특정 실시예들을 설명하였지만, 설명한 실시예들에서 벗어나는 것들도 본 발명의 범위에 여전히 속할 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
Claims (32)
- 제어된 열 영역(120)을 통하여 과냉된 상변환물질(PCM)에 핵형성이 이루어지는 열저장시스템(100)으로서, 상기 열저장시스템(100)은,
격납용기(12, 112);
상기 격납용기(12, 112) 내에 위치된 상변환물질(111); 및
상기 격납용기(12, 112) 내에 위치하고 상기 상변환물질(111) 내에 잠겨 있으며, 입력부(114)와 출력부(116)를 구비하는 열교환기(18, 118);를 포함하고,
상기 PCM이 비활성화 온도보다 위에 또는 근처에 있을 때 능동적으로 일부 기핵제를 계속 비활성화 온도 밑에 있도록 유지시키는 냉점이 존재하기 때문에, 배출시에 상변환물질(111)은 과냉을 제공하지 않고,
상기 기핵제는 핵형성 첨가제로서, 상기 PCM과 다른 물질이고,
상기 기핵제는 특정 수화물이며, 기핵제의 비활성화 프로세스는 탈수 또는 용융이고,
격납 용기 내에서 제어된 열 영역을 통해 PCM에 핵형성이 이루어지게 함으로써 핵형성을 제어하여, 균일하고 예측가능하며 선택가능하게 PCM의 결정화를 초래하는 것을 특징으로 하는 열저장시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제어된 열 영역은, 기핵제를 항상 열적으로 구동된 비활성화 프로세스 온도 밑으로 유지시킴으로써 능동적으로 기핵제를 상기 열적으로 구동된 비활성화 프로세스로부터 보호하는 냉점이고, PCM(111) 보다 낮은 온도의 영역으로의 열 전도 경로에 의해 유지되는 것을 특징으로 하는 열저장시스템(100). - 제2항에 있어서,
상기 열저장시스템의 제어된 열 영역은:
(i) 그래파이트 시트 또는 금속 중 하나를 포함하는 히트 스프레더;
(ii) 주변환경과 열 접촉하는 영역;
(iii) 정보 피드백을 제공하는 온도 센서;
(iv) 압축증기사이클 장치;
(v) 히트 파이프 또는 스위칭가능한 히트 파이프; 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장시스템(100). - 제1항에 있어서,
상기 냉점은 열전기적으로, 압축증기사이클에 의해서, 히트 파이프에 의해서, 또는 스위칭가능한 히트 파이프에 의해서 유지되는 것을 특징으로 하는 열저장시스템. - 제1항에 있어서,
상기 열교환기는 열저장시스템의 제어된 열 영역에 대한 히트 싱크로 기능하고, 상기 냉점은 격납용기의 바닥쪽으로 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 열저장시스템(100). - 제1항에 있어서,
상기 제어된 열 영역 내에, 상기 격납 용기 내에 위치된 열 절연 영역이 위치하는 것을 특징으로 하는 열저장시스템(100). - 제1항에 있어서,
상기 열저장시스템(100)은 열전기 장치를 포함하고, 상기 열전기 장치는 쌓여 있는 하나 이상의 열전기 장치로 구성되며, 선택적으로 열전기 인터페이스 사이에 히트 스프레더를 구비하고, 냉기 집중기를 생성하도록 열 절연부를 갖는 히트 스프레더에 의해 최종 저온 표면을 구비하는 것을 특징으로 하는 열저장시스템(100). - 제7항에 있어서,
저온 표면이 PCM과 접촉하고, 고온 표면이 주변환경, PCM 열교환기 또는 다른 PCM 저장시스템 중 하나와 열적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 열저장시스템(100). - 제7항에 있어서,
전기저장부가 열전기 장치에 의해 충전되고; 동일한 열전기 장치가 동일한 전기저장부를 이용하여 나중에 기능하도록 냉기를 생성하는 것을 특징으로 하는 열저장시스템(100). - 제7항에 있어서,
상기 열전기 장치는 전기저장부로부터 전력을 공급받고, 상기 전기저장부는 로컬 전기공급부로부터 충전되는 것을 특징으로 하는 열저장시스템(100). - 제7항에 있어서,
상기 열전기 장치는 펄스폭변조(PWM)를 통해 제어되거나 직접구동방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 열저장시스템(100). - 제1항, 제2항, 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
온도센서가 정보 피드백을 제공하는 것을 특징으로 하는 열저장시스템(100). - 제어된 열 영역을 통하여 과냉된 상변환물질(PCM)에 핵형성이 이루어지는 제1항의 열저장시스템(100)에서 냉점을 제공하는 방법으로서,
입력부(114)와 출력부(116)를 갖는 격납용기(112)를 제공하는 단계;
상기 격납용기(112) 내에 상변환물질(111)을 위치시키는 단계; 및
열교환기(118)를 상기 격납용기(112) 내에 위치시키고, 상기 열교환기(118)를 상기 상변환물질(111) 내에 잠기게 하는 단계;를 포함하고,
상기 상변환물질(111)이 비활성화 온도보다 위에 또는 근처에 있을 때 능동적으로 일부 기핵제를 계속 비활성화 온도 밑에 있도록 유지시키는 냉점이 존재하기 때문에, 배출시에 상변환물질(11)은 과냉을 제공하지 않고,
상기 기핵제는 핵형성 첨가제로서, 상기 PCM과 다른 물질이고,
상기 기핵제는 특정 수화물이며, 기핵제의 비활성화 프로세스는 탈수 또는 용융이고,
격납 용기 내에서 제어된 열 영역을 통해 PCM에 핵형성이 이루어지게 함으로써 핵형성을 제어하여, 균일하고 예측가능하며 선택가능하게 PCM의 결정화를 초래하고,
상기 제어된 열 영역은 냉점이며 결정화 성장을 위한 영역을 제공하고, 상기 냉점은 기핵제를 항상 열적으로 구동된 비활성화 프로세스 온도 밑에 있도록 유지시킴으로써 능동적으로 기핵제를 상기 열적으로 구동된 비활성화 프로세스로부터 보호하고, 상기 냉점은 히트 파이프에 의해 유지되거나; 상기 제어된 열 영역은 PCM이 항상 비활성화 온도보다 위에 또는 근처에 있을 때 능동적으로 일부 기핵제를 비활성화 온도 밑에 있도록 유지시키는 냉점이고, PCM 보다 낮은 온도의 영역으로의 열 전도 경로에 의해 유지되고;
PCM이 비활성화 온도보다 위에 또는 근처에 있을 때 능동적으로 일부 기핵제를 계속 비활성화 온도 밑에 있도록 유지시키는 냉점이 존재하기 때문에, 배출시에 PCM 시스템은 과냉을 제공하지 않는 것을 특징으로 하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 PCM이 격납용기(112)에 수용되고, 상기 격납용기 내에 위치된 열교환기(118)에 의해 열 또는 냉기가 PCM 안쪽으로/바깥쪽으로 전달되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 격납용기(112) 내에 있는 열교환기(118)는 열저장시스템(100)용 히트 싱크로 기능하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
냉점의 전력소모는 PCM에서부터 냉점으로의 열전달율에 비례하고, 결정체를 갖는 냉점과 PCM 사이에 절연이 필요한 것을 특징으로 하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 열저장시스템은 저온 표면과 고온 표면을 갖는 열전기 장치를 포함하고, 상기 열전기 장치의 저온 표면은, 고 열전도성 인터페이스 물질과, 냉기 집중기의 역할을 하는 절연부를 갖는 것을 특징으로 하는 방법. - 제17항에 있어서,
열 절연부가, 노출되어 있는 소형 영역은 제외하고 고 열전도성 인터페이스 물질을 커버하여, 하나의 소형 영역을 향하여 냉기를 집중시킴으로써, 더 낮은 온도를 달성하거나 전력소모를 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법. - 제18항에 있어서,
상기 열전기 장치의 고온 표면은, PCM 자체, PCM 시스템의 내부 열교환기 또는 주변환경으로 열을 소산하는 히트 싱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 삭제
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