KR102625453B1 - 두 개 이상의 매체 사이에서 열을 전달하기 위한 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 시스템 - Google Patents

두 개 이상의 매체 사이에서 열을 전달하기 위한 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도 차이의 존재 및 압력 변동만을 받는 가정용, 상업용 또는 산업용 목적에 사용될 수 있는, 두 개 이상의 매체 사이에서 열을 전달하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 열을 전달하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

두 개 이상의 매체 사이에서 열을 전달하기 위한 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 시스템
본 발명은 폐쇄된 챔버 내에서, 상기 챔버 외부의 온도 변화에 민감한 유체 - 상기 유체는 상기 유체가 열을 흡수 또는 방출할 때 상태를 변경함 - 가 있는, 실린더/피스톤 폐쇄 시스템 등을 통한 열 전달 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 공간을 공기 조화(air conditioning)하기 위해, 또는 두 개 이상의 매체 사이에서 열 전달을 필요로 하는 임의의 용도를 위해 사용 가능하고, 가정용, 상업용 또는 산업용 사용을 가능하게 하는, 두 개 이상의 매체 사이에서 열 전달을 생성하기 위한 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 시스템에 관한 것이다.
현재, 공간을 공기 조화하기 위한 열 전달을 생성하는 많은 기술이 있지만, 이러한 기술은 결정된 양의 에너지를 흡수 또는 전달할 수 있도록 하기 위해 많은 양의 에너지를 필요로 하고, 또한 환경에 해로운 냉각 액체의 사용을 필요로 한다. 예를 들어, 오존층에 영향을 미치거나 또는 온실 효과를 생성하는 냉매를 사용하는 히트 펌프가 있다. 예를 들어, 포화된 탄화수소로부터 유도되는 불활성 가스인 CFC 또는 클로로플루오르카본이 있으며, 이는 50년 내지 100년 동안 대기에 잔존하며 성층권으로부터의 오존과 결합할 때 분해되어 염소 원자를 방출한다.
CFC로부터 오존층에 미치는 손상이 확인된 후에, CFC는 HFC 또는 하이드로플루오로카본으로 대체되었지만, 이는 행성의 온실 효과 및 지구 온난화의 원인이 되는 플루오르화된 가스이다.
CFC의 예는, 열전 달 순환 과정에서 증발되는 프레온이고, 이러한 타입의 물질은 현재 대체적인 냉매로 대체되고 있는데, 이것은 그 주된 목적이 2030년까지 플루오르화된 온실 가스(greenhouse gas)(GHG)의 사용을 70 %만큼 감소시키려는 유럽 F-가스 규정(European F-Gas regulation)과 같은, 환경 및 오존 층에 미치는 냉매의 영향을 감소시키려는 법에 의해 주도되어 왔다. 냉매 가스를 감소시키는 데 있어 전세계적으로 이루어지는 노력의 다른 예는 지구에 매우 유해하다고 여겨지고 지구 온난화에 큰 영향을 미치는 온실 가스로서, 하이드로플루올카본(hydrofluorocarbon)(HFC)의 생산 및 사용을 점진적으로 없애기 위한 구체적인 계획을 대표하는, 모트리올 의정서(Montreal protocol)(1987)의 제2차 개정인, 키갈리 개정 의정서(Kigali Amendment)를 거의 200 개 국가에서 채택한 것이다.
다른 관련된 사항은 에너지 소비의 감소에 관한 것이다. 열 펌프로서 HVAC 시스템은 성능 계수(Coefficient of Performance)(COP)로 불리는 성능을 가지며, 성능(COP)은 열량 단위(열 kWh 단위)와 장비에 의해 실제로 소비되는 전력(전기 kWh 단위) 사이의 관계를 표현한다. 따라서, COP가 높을 수록, 시스템 성능은 더 높다. 예로서, 전형적인 열 펌프는 두 지점의 온도 차이에 따라 2와 6 사이의 COP를 갖는다. 따라서, 성능(COP)의 증가는 에너지 소비의 감소를 발생하고 이에 따라 CO2 소비의 감소를 발생할 수 있다.
제안된 해결책은 막힌 회로, 이하 "회로" 내 압력 하에서 유체의 상태 변화를 유발하도록 주변 열, 유체, 유체의 압축 및 압축 해제를 사용하는 것을 기초로 한다.
이러한 상태 변화는 유체의 밀도의 변화를 생성하며, 교번적으로 수축 및 팽창을 유발하여 열을 흡수 또는 방출하는 열 전달을 생성한다. 시스템은 또한 필요하다면, 유체를 냉각 또는 가열하기 위한 지원부로서 역할을 하는 외부 열원 이외에, 팬과 같은 현재 HVAC 장비에 이미 존재하는 기본 요소를 포함하는 구조체를 포함한다.
이러한 시스템의 장점은 상이한 타입의 유체, 이를테면, 가연성 HFO(hydrofluoroolefins)가 아니고, 다른 것들 중에서도 오존층에 손상을 주지 않는 물, CO2 및 위상 변화 물질(phase change material)(PCB) 또는 지구 온난화의 원인이 되는 온실 가스를 사용할 수 있다는 것이다. 일반적으로, 이러한 시스템 및 방법은 환경적으로 손상을 주거나 가연성인 냉매를 필요로 하지 않으며, 이것은 환경 보호에 기여한다.
다른 장점은 COP(성능 계수)가 현재 기술보다 더 높다는 것과, 10을 훨씬 초과하거나 심지어 그 이상의 값에 도달할 수 있다는 것이고, 부하 및 유체에 따라서 아래의 일부 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, COP는 일부 시스템에서 15, 20, 30, 40 또는 더 큰 값을 제공할 수 있다. 이것은 에너지를 크게 절약할 수 있게 하고, 따라서 또한 낮은 전력 소비로 인해 대기에 배출되는 CO2를 크게 감소할 수 있게 한다.
다른 장점은 포스 유닛(force unit)을 통해 시스템 내에 마주하는 두 개 이상의 회로를 사용함으로써, 양쪽 회로의 압력이 반대 방향으로 가압 중이기 때문에, 유체를 압축하는데 필요한 에너지의 양이 상당히 낮아진다는 것이다. 포스 유닛의 플런저에서 역균형 효과(counterbalance effect)가 일어나고, 따라서 최대 압력보다 훨씬 더 낮은 압력이 반대측 회로에서 유체를 압축하고 상태 변화를 생성하는데 필요하다.
고체로부터 액체로의 상태 변화에 따라 작동하면 동일한 양의 에너지가 전달되는 종래 시스템과 달리, 유체를 압축하는데 종종 더 적은 볼륨이 대체된다.
최신 기술
최신 기술에서, 공기 조화를 위해 열 전달을 위한 시스템과 관련된 몇 개의 문헌이 있다.
따라서, 예를 들어, 문헌 WO 2016/186572에서, 주변 열(ambient heat) 또는 잔열을 이용하고, 폐쇄 루프에서 이산화탄소 작동 유체를 사용하여 부산물로서 차가운 에너지로 재생 가능한 에너지를 생성하는 기계가 개시된다. 기계는 유체 온도를 감소시키기 위한 팽창기(expander); 유체의 나머지가 유체화된 상태에 있는 것을 보장하기 위해 팽창기에 연결되는 저압 열 교환기; 저압 열 교환기에 추가적으로 연결되어 적어도 주변 또는 저품질 열 및 변위 유체 유동에 의해 동력을 전달받는 유체의 유압 압력을 변환하기 위한 유압 모터; 및 동결을 방지하기 위해 주변 열로 유체를 재가열하는 고압 열 교환기를 포함하는 주변 열 엔진으로서 개시된다. 팽창기, 저압 열 교환기, 유압 모터, 및 고압 열 교환기는 유체를 순환시키기 위해 서로 폐쇄 루프로 연결된다.
문헌 US 2014/053544는 제1 열 교환기, 팽창기, 제2 열 교환기, 및 밸브 조립체를 포함하는 열 엔진 시스템을 개시한다. 제1 열 교환기는 내부에 있는 작동 유체를 가열하기 위한 열원과 연통된다. 팽창기는 제1 열 교환기의 하류에 있고, 그 안에서 열 작동 유체를 수용하기 위해 연통된다. 제2 열 교환기는 팽창기의 하류에 있고, 그 안에서 팽창기로부터 수용되는 작동 유체를 냉각시키기 위해 연통된다. 밸브 조립체는 제2 열 교환기로부터의 차가워진 작동 유체로 팽창기의 선택적 주입을 제공하기 위해 제2 열 교환기 및 팽창기와 연통된다.
문헌 US5099651A는 가스 동력식 엔진 열 펌프 시스템을 작동시키기 위한 방법 및 냉동 증기 압축의 타입을 개시한다. 보다 구체적으로, 이것은 바람직하게는 부하 및 주변 열원 또는 섬프(sump)와 유체 연통하는 작동 유체에 의해 적어도 부분적으로 냉각되는 가스 동력식 내연 기관에 의해 구동되는 열 펌프 시스템을 개시한다.
최신 기술 문헌 중 어느 것도 유체 및 주변 또는 매체로부터의 열 및 압력 및 압축 해제 단계만이 액체로부터 고체로 또는 부분적 고체로 및 그 반대로, 및 액체로부터 가스 상태로 및 그 반대로의 상태 변화를 일으키고 이것으로 열 전달을 발생하기 위해, 열을 방출 또는 흡수하는데 사용되는 폐쇄 시스템의 사용을 개시하지 않는다.
최신 기술과의 차이점은 시스템이 하나, 둘 또는 그 이상의 막힌 회로로 구성된다는 것, 다시 말해서, 이러한 회로 각각에 수용된 유체가, 압축 및 압축 해제에 노출되는 유체의 밀도 변화 및 또한 유체의 상태 변화에 의해 유발되는 변동에 의해 생성되는 교번적인 볼륨 변화에 의해 생성되는 자연적인 변위를 제외하고는, 순환하지 않고 변위되지 않도록 하고, 그럼으로써 유체가 동일한 경로에 의해 팽창 및 수축하여, 이는 피스톤 또는 유사한 것의 변위를 가능하게 하는 방식으로 설계된 순환이 없는 폐쇄 루프로 구성될 수 있는 것이다. 반면에, 공기 조화 시스템의 최신 기술에서는 유체가 시스템 내에서 순환할 수 있고 유체가 환경에 유해한 냉매인 것을 알 수 있는 반면에, 본 시스템에서는 다양한 유체, 구체적으로는 환경에 유해하지 않은 액체 냉매가 동작을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 요약
본 발명은 공간을 공기 조화하기 위해, 또는 두 개 이상의 매체 사이에서 열 전달을 필요로 하고, 가정용, 상업용 또는 산업용 사용을 위해 용이하게 사용될 수 있는 임의의 용도를 위해 사용 가능한, 두 개 이상의 매체 사이에서 열 전달을 생성하기 위한 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 디바이스 또는 시스템으로 이루어진다.
제안된 해결책은, 유체의 상태 변화를 유발하기 위해, 압력 변화와 함께, 유체와 이를 둘러싸는 공간 사이의 온도 차이를 사용하는 것을 기초로 한다. 실시예로서, 물, 바람직하게는 증류수, 이하 "물"의 경우에, 폐쇄 루프 내에서 높은 압력을 받을 때, 물은 액체 상태로부터 고체 또는 부분적 고체 상태, 예를 들어, "얼음 II, 또는 얼음 III, 또는 얼음 V, 또는 얼음 VI, 또는 얼음 VII"으로 및 그 반대로 변하며, 이러한 물질은 도달된 온도 및 시스템이 도달하는 평형 상태에 따라, 즉 시스템이 하나의 상태에서 다른 상태로 프로세스를 통과할 때 열 전달에 따라 어떻게든 변환될 것이다. 수많은 상태 변화를 획득하기 위해, 방법은 상이한 압력과 관련하여 상이한 온도에서 유체가 겪는 상태 변화를 이용하기 위해, 회로에 압력 변화를 관여시킨다.
예를 들어, 물의 경우, 시스템은 도 6 및 도 7에서 도시된 압력/온도 그래프에서 볼 수 있는 온도 민감 영역에서 작동된다. 실린더 시스템/피스톤 등과 같은 폐쇄 시스템에서, 환경의 온도를 높이는 것이 요구되면, 액체 상태에 있는 유체의 온도는 증가될 것이고, 유체는 응고될 때까지 압축될 것이고(얼음 Ih의 경우에는 반대임), 주변 온도보다 더 높은 온도에서 고체가 되어, 시스템이 환경에 열을 전달한 다음에는 고체로부터 액체로의 상태 변화가 일어날 것이며, 시스템 내에서는 액체로 또는 부분적 액체로 융해되고 변환되고, 이에 따라 시스템은 팽창하며; 액체에서 고체로의 경우에는 고체 또는 부분적 고체로 응고되고 변환되며, 이에 따라 시스템은 유체 볼륨을 수축 또는 감소시키는데, 두 경우 모두, 피스톤은 열 전달 율(transfer heat rate)에 의해 유발되는 거리("L")를 이동할 것이다. 만약 환경의 온도를 감소시키는 것이 요구되면, 액체 상태의 유체는 응고될 때까지 압축되어 열을 방출할 것이며, 그런 다음 압력이 감소되어, 고체로부터 액체 상태로의 변화를 일으키고, 액체 또는 부분적 액체로 융해되고 변환되며, 환경으로부터 열을 흡수할 것이며, 이에 따라 유체는 팽창할 것이며, 액체에서 고체로 가는 경우에는 고체로 응고되고 변환될 것이며, 이에 따라 유체는 수축되며, 두 경우 모두 피스톤은 열 전달에 의해 유발되는 거리("L")를 이동할 것이다. 요약하면, 유체 온도 및 압력이 곡선(융해/응고)의 아래에 있고, 주변 온도는 물의 온도보다 높거나 낮을 때, 고체로부터 액체로의 상태 변화가 일어날 것이다. 액체로부터 고체로의 상태 변화에 대해서도 동일하게 적용되지만, 압축기 또는 펌프 등을 통해 획득되는 압력 및 물의 온도는 융해/응고 곡선보다 위에 있어야 한다.
다른 한편, 본 발명은 가정용, 상업용 또는 산업용 사용을 가능하게 하고, 포스 유닛, 제어 시스템 및 보조 장비의 동작을 통해 열 전달을 생성하기 위해 사용 가능하고, 압축 및 압축 해제에 노출되는 유체의 밀도 변동에 의해 생성된 교번적인 볼륨 변화 및 또한 유체의 상태 변화에 의해 유발되는 변동을 제외하고, 각각의 회로 내에 수용된 유체가 순환하거나 이동하지 않고, 그럼으로써 유체가 동일 경로를 따라 팽창하고 수축하여, 피스톤 등의 변위를 가능하게 하는 방식으로 설계된 하나, 또는 두 개 이상의 막힌 회로로 구성되는, 두 개 이상의 매체 사이에서 열 전달을 생성하기 위한 시스템 또는 디바이스로 이루어진다. 전형적으로, 물(3)의 상태 변화 및 이의 변동 및 상관관계를 획득하기 위한 회로 내에서 요구되는 압력과 온도 사이의 상관관계는 다음과 같이 상태 변화의 한계를 보여주며, 누락된 사항은 본 명세서의 마지막에 있는 참조문헌 [1] [2] [7] [8]에서 찾아 볼 수 있고, 고체에서 기체로의 경우는 참고문헌 [9]를 참조한다:
● -34.7 ℃ 내지 -24.3 ℃ 사이의 온도로 고체 얼음 III으로부터 고체 얼음 II로의 상태 변화를 획득하기 위해 최소로 필요한 내부 압력 P(II to III).
P(III to II) = 213 + (1 - ((T°+ 273.15)/238)^19.676 - 1).
● -21.98 ℃ 내지 0 ℃ 사이의 온도로 고체 또는 부분적 고체로부터 액체로의 상태 변화를 획득하기 위해 최소로 필요한 내부 압력 P(Ih):
P(Ih) = -395.2 * ((T°+ 273.15)/273.16)^9 - 1).
● -21.98 ℃ 내지 -16.98 ℃ 사이의 온도로 액체로부터 고체로의 상태 변화를 획득하기 위해 최소로 필요한 내부 압력 P(III).
P(III) = 208,566 - 0.299948 x 208,566 x (1 - ((T°+ 273.15)/251,165)^60).
● -16.98 ℃ 내지 0.16 ℃ 사이의 온도로 액체로부터 고체 또는 부분적 고체로의 상태 변화를 획득하기 위해 최소로 필요한 내부 압력 P(V):
P(V) = 350.1- 1.18721 x 350.1x (1 -((T°+ 273.15)/256.16)^8).
● 0.16 ℃ 내지 81.85 ℃ 사이의 온도로 액체로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로의 변화를 획득하기 위해 최소로 필요한 내부 압력 P(VI):
P(VI) = 632.4 - 1.07476 x 632.4 x (1 -((T°+ 273.15)/256.II,31)^4.6).
● 81.85 ℃ 내지 90 ℃ 사이의 온도로 액체로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로의 변화를 획득하기 위해, 에서의 최소 필요한 내부 압력 P(VII):
Ln(P(VII)/2216) = 1.73683 x (1 - ((T°+ 273.15355)^-1) - 0.0544606 x (1 -((T°+ 273.15)/355)^5) + 0.806106x10^-7 x (1 - ((T°+ 273.15)/355)^22).
● -34.7 ℃ 내지 -24.3 ℃ 사이의 온도로 고체 얼음 II로부터 고체 얼음 III으로의 상태 변화를 획득하기 위해 최대로 필요한 내부 압력 P(II to III).
P(II to III) = 213 + (1 - ((T°+ 273.15)/238)^19.676 - 1).
● -21.98 ℃ 내지 0 ℃ 사이의 온도로 액체로부터 고체 또는 부분적 고체로의 상태 변화를 획득하기 위해 최대로 필요한 내부 압력 P(Ih):
P(Ih) = -395.2 * ((T°+ 273.15)/273.16)^9 - 1).
● -21.98 ℃ 내지 -16.98 ℃ 사이의 온도로 고체로부터 액체로의 상태 변화를 획득하기 위해 최대로 필요한 내부 압력 P(III):
P(III) = 208,566 - 0.299948 x 208,566 x (1 - ((T°+ 273.15)/251.165)^60).
● -16.9 ℃ 내지 0.16 ℃ 사이의 온도로 고체 또는 부분적 고체로부터 액체로의 상태 변화를 획득하기 위해 최대로 필요한 내부 압력 P(V):
P(V) = 350.1 - 1.18721 x 350.1 x (1 - ((T°+ 273.15)/256.16)^8).
● 0.16 ℃ 내지 81.85 ℃ 사이의 온도로 고체 또는 부분적 고체로부터 액체 상태로의 변화를 획득하기 위해 최대로 필요한 내부 압력 P(VI):
P(VI) = 632.4 - 1.07476 x 632.4 x (1 - ((T°+ 273.15)/273.31)^4.6).
● 81.85 ℃ 내지 90 ℃ 사이의 온도로 고체 또는 부분적 고체로부터 액체 상태로의 변화를 획득하기 위해 최대로 필요한 내부 압력 P(VII):
Ln(P(VII)/2216) = 1.73683 x (1 - ((T°+ 273.15)/355)^-1) - 0.0544606 x (1 - ((T°+ 273.15)/355)^5) + 0.806106x10^-7 x (1 - ((T°+ 273.15)/355)^22).
온도(T°)는 섭씨 온도(℃)이고, 압력은 메가파스칼(Mpa)이다. 이들 수학식을 압력 대 압력 그래프 온도로 렌더링함으로써, 융해 또는 응고 곡선이 보여질 수 있다. 곡선의 상한은 물(3)의 고체 또는 부분적 고체 상태를 나타내고, 하한은 물의 액체 상태를 나타낸다.
따라서, 내부 압력은 곡선에 의해 결정되는 것보다 더 높은 압력과 곡선에 의해 결정되는 것보다 더 낮은 압력 사이에서 변동하여야 하며, 이는 상태 변화를 생성하는 열 전달의 열 프로세스를 유발한다. 시스템은 유체의 고체 상태 사이에서 뿐만 아니라 얼음 VII 또는 얼음 VIII으로부터 얼음 VI으로 및 그 반대로, 얼음 Ih으로부터 얼음 III으로 및 그 반대로, 얼음 VI으로부터 얼음 V로 및 그 반대로, 얼음 II로부터 얼음 III으로 및 그 반대로, 얼음 II로부터 얼음 Ih로 및 그 반대로와 같이 알려진 물의 고체 상태 사이에서, 고체 또는 부분적 고체로부터 액체로 및 그 반대로, 기체 상태로부터 액체 또는 초임계 유체 상태로 및 그 반대로, 기체 상태로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로 및 그 반대로, 액체 또는 초임계 유체 상태로부터 고체 또는 부분적 고체로 및 그 반대로 상태 변화를 획득할 수 있게 하며, 또한, 얼음 II 또는 얼음 III, 또는 얼음 V, 또는 얼음 VI으로부터 액체로 및 이어서 액체로부터 얼음 Ih로 및 그 반대로의 상태 변화를 획득할 수 있게 한다.
모든 경우에 있어서, 상태 변화는 부분적일 수 있고, 따라서 시스템은 고체 또는 부분적 고체로부터 액체 또는 부분적 액체로 및 그 반대로, 기체 또는 부분적 기체로부터 액체 또는 부분적 액체로 및 그 반대로, 초임계 유체로부터 고체 또는 부분적 고체로 및 그 반대로, 초임계 유체로부터 과열된 증기로 및 그 반대로의 상태 변화를 획득할 수 있게 하며, 도 6에서 보다 잘 볼 수 있다. 다른 상태 변화에도 동일하다.
실시예로서, 물이 회로 내에서, 700 Mpa의 압력 및 24 ℃의 온도에서 액체 상태로 있다면, 액체로부터 고체 또는 부분적 고체로의 상태 변화를 생성하기 위해 압력을 951 Mpa 넘게 증가시키는 것이 필요하다. 반면에, 물이 1000 Mpa의 내부 압력으로 24 ℃에서 고체 또는 부분적 고체 상태로 있다면, 이 압력을 950 Mpa으로 감소시키는 것이 필요하며, 이는 상태 변화 및 액체 상태로의 변화를 생성하기 위해 더 감소될 수 있다.
유체의 상태를 변경하기 위해 필요한 압력을 획득하고자 하면, 압력은 두 개의 상태를 분리하는 곡선의 기울기가 클라우시우스-클라페이론(Clausius-Clapeyron) 방정식 [10] [11]으로 획득될 수 있는 PT 다이어그램 상에 곡선을 그림으로써 달성될 수 있으며, 방정식은 기울기를 획득하기 위해 위상 변화의 잠열 또는 엔탈피, 볼륨 변동 및 온도를 고려하며, 곡선은 고체 상태로부터 액체 상태로 또는 그 반대로 진행되는 경우 융해-응고 곡선인 공존 곡선(coexistence curve)으로 알려져 있다.
dP/dT = ΔH/TΔV
여기서 dP/dT는 이러한 곡선의 기울기이고, Δ는 위상 변화의 잠열 또는 엔탈피이고, ΔV는 볼륨이다.
상태 변화에 필요한 압력 차이는 또한 잠열, 온도, 온도 변동 및 볼륨 변동을 제공하는 이러한 수학식으로 획득될 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 더 양호한 이해를 제공하고자 하는 것이며, 도면은 상세한 설명의 일부이다.
도 1은 주변 또는 매체 온도가 회로 내의 유체 온도보다 더 높은 온도에 있고, 시스템이 주변 또는 매체로부터 열("Q")을 흡수함에 따라, 시스템 팽창이 인식될 수 있는, 실린더/피스톤 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 피스톤이 서보브레이크 또는 전자적으로 구동되는 일방향 밸브 또는 피스톤의 스트로크를 정지시키기 위한 유사한 기능을 수행하는 다른 장치에 연결되어 있는, 도 1의 실린더/피스톤 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3은 피스톤이 압축되고 있고, 시스템이 액체로부터 고체로 변화되어 고체의 생성을 유발하는 경우, 주변 또는 매체 온도가 주변 또는 매체에 열("Q")을 전달하는 회로 내의 유체 온도보다 더 높은 온도에 있는, 실린더/피스톤 시스템의 개략도를 도시한다.
도 4는 피스톤이 해제(release)되며, 주변 온도가 회로 내의 유체 온도보다 더 높은 온도인 경우, 유체가 고체로부터 액체로 변화되고 있기 때문에, 유체가 주변 또는 매체로부터 열("Q")을 흡수하는, 실린더/피스톤 시스템의 개략도를 도시한다.
도 5는 피스톤이 스트로크를 정지하고, 이에 따라 포스 유닛의 다른 컴포넌트의 지원에 의해 새로운 사이클을 시작하기 위해 서보브레이크 또는 전자적으로 구동되는 일방향 밸브에 연결되어 있는, 도 4의 실린더/피스톤 시스템의 개략도를 도시한다.
도 6은 시스템이 얼음 영역(Ih, II, III, V 및 VI) 내에서 이동하는, 민감한 구역에서 물의 확대된 압력/온도 그래프를 도시한다. 이 도면은 기체 상태로부터 액체 또는 초임계 유체 상태로 및 그 반대로, 액체 또는 초임계 유체 상태로부터 고체 또는 부분적 고체로 및 그 반대로의 위상의 변화뿐만 아니라, 얼음 VII 또는 얼음 VIII에서 얼음 VI으로 및 그 반대로, 얼음 Ih 에서 얼음 III으로 및 그 반대로, 얼음 VI 에서 얼음 V로 및 그 반대로, 얼음 II 에서 얼음 III으로 및 그 반대로, 얼음 II 에서 얼음 Ih으로 및 그 반대로와 같은 알려진 물의 고체 상태들 사이에서의 변화를 설명한다.
도 7은 시스템이 얼음 영역(Ih, II, III, V, VI 및 VII) 내에서 이동하는, 민감한 영역에서 물의 압력/온도 그래프를 도시하며, 여기서 상이한 압력에서 상이한 물의 밀도가 인식될 수 있으며, 이것은 물이 볼륨 변화를 겪고, 그래서 물이 압축 가능하다는 것을 의미한다.
도 8은 이산화탄소(CO2)의 온도/압력 그래프를 도시한다.
도 9는 챔버가 모세관일 수 있는 복수의 파이프, 플레이트, 핀(fin)에 의해 형성되는 파이프라인에 의해 회로에 연결된, 회로를 갖는 실린더/피스톤의 개략도를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른, 주변 또는 매체로부터 열을 추출하거나 또는 전달하기 위한 시스템의 실시형태의 개략적인 전방 정면도를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 열 전달을 위한 시스템의 실시형태의 개략적인 계획 도면을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 열 전달을 위한 시스템의 개략적인 사시도를 도시한다.
도 13은 유체가 주변 또는 매체 온도보다 더 높은 온도에 있을 때 고체로부터 액체로 및 그 반대로의 상태 변화가 있는 그래프를 도시한다.
도 14는, 유체가 주변 또는 매체 온도보다 더 낮은 온도에 있을 때 고체로부터 액체로 및 그 반대로의 상태 변화가 있는 그래프를 도시한다.
도 15는 포스 유닛을 통해 연결되는 두 개의 실린더/피스톤 시스템의 개략도를 도시한다.
도 16은 포스 유닛을 통해 연결되는 실린더/피스톤 시스템의 개략도를 도시한다.
도 17은 두 개의 회로 및 이들 각각의 제어 시스템과 함께 선형 증압기 펌프 타입(linear intensifier pump type) 포스 유닛 등에 삽입된 실린더/피스톤 시스템의 개략도를 도시한다.
도 18은 염화칼슘(CaCl2)과 물의 혼합물 중 염화칼슘의 위상 변화의 온도/백분율 그래프를 도시한다.
도 19는 두 개의 회로 및 이들 각각의 제어 시스템과 함께 증압식 선형 펌프 타입(intensifying linear pump type) 포스 유닛 등의 개략도를 도시한다.
도 20은 두 개의 회로 및 이들 각각의 제어 시스템과 함께 플런저 펌프 타입(plunger pump type) 포스 유닛 등의 개략도를 도시한다.
도 21은 액체가 열 교환기를 통과하고, 제어 밸브에 의해 사용될 장소, 또는 열을 방출하거나 흡수하는 목표를 따라 행하는 외부 열 교환기 등 및 각각의 제어 시스템으로 지향되는, 두 개의 회로와 함께 포스 유닛의 개략도를 도시한다.
도 22는 공기 조화 유닛의 부분, 이를테면 본 발명의 부분의 보조 부분의 개략도를 도시한다.
도 23은 본 발명이 기초가 되는 원리 중 하나에 따른, 캐스케이드 연결된 두 개의 공기 조화 유닛의 개략도를 도시한다.
도 24는 본 발명을 예시하는, 공기 조화 장비 타입의 개략도를 도시한다.
도 25는 함께 캐스케이드된 4개 회로의 시스템의 개략도를 도시한다.
도 26은 캐스케이드로 작동되는 8개의 연결된 회로의 시스템의 개략도를 도시한다.
본 발명은 공간을 공기 조화하기 위해, 또는 두 개 이상의 매체 사이에서 열 전달을 필요로 하고, 가정용, 상업용 또는 산업용 용도에 사용될 수 있는 임의의 용도를 위해 사용 가능한, 두 개 이상의 매체 사이에서 열 전달을 생성하기 위한 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 시스템으로 이루어진다.
본 발명의 기초는 압력 변동과 결합하여 주변 열을 이용하는 것으로, 유체의 상태 변화에 의해 유발되는 교번적인 볼륨의 변화를 제외하고, 순환되지 않거나 변위되지 않는 막힌 회로 내에 삽입된 유체의 상태 변화를 유발함으로써, 이러한 유체가 동일한 경로를 따라서 팽창 및 수축하고, 열 전달이 일어나도록 한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명은 주변으로부터 또는 매체로부터 실린더(1) 피스톤(2) 시스템 등의 챔버(5) 및 파이프(8)로의 열 교환에 기초하여 작동한다.
도 1에서, 열 교환기 등의 파이프(8) 내에 삽입된 유체와 함께 챔버(5)는 상기 챔버(5) 및 고체 파이프(8) 내에서 생성되는 고체로부터 액체 상태로 및 그 반대로와 같은 변화로서 시스템을 사용하는 경우에, 도 6 및 도 7의 그래프에서 도시된 바에 따라, 예를 들어 300 MPa보다 더 높은 압력에 도달하였다. 주변 또는 외부 매체 온도가 챔버(5) 및 파이프(8)의 온도보다 더 높은 경우에 열 교환이 일어나며, 챔버(5) 및 파이프(8)는 상기 유체가 융해될 때 회로를 둘러싸는 매체로부터 열을 흡수한다. 이에 따라, 챔버(5) 및 파이프(8) 내에서, 고체가 액체 및 작은 고체 부분으로 바뀌기 때문에, 팽창이 일어나고, 따라서 열 전달에 의해 유발되는 거리(L)에서 피스톤(2)을 이동시켜, 유체를 활용하여 주변 또는 매체를 가열한다. 도 2, 도 15, 도 16, 도 17 및 도 19에 도시된 바와 같이, 일단 거리("L")가 이동되었으면, 피스톤(2)은 전자적으로 단일 방향 구동 서보브레이크(26), 또는 전자적으로 일 방향 구동 밸브, 또는 피스톤을 정지시키는 PLC 또는 제어 시스템과 같은 유사한 기능을 수행하는 다른 디바이스에 연결된다. 챔버(5) 및 파이프(8)는 고체가 융해될 때 열을 흡수하며, 융해/응고 곡선을 통과할 때 압력 증가로 응고되고, 열을 방출한다. 챔버(5) 및 파이프(8)가 풍부한 고체를 갖고 있을 때 그리고 외부의 온도가 챔버(5) 및 파이프(8)의 온도보다 여전히 더 높고 서보브레이크 등을 사용하는 경우에 압력이 해제되면, 압력이 해제되고 상기 챔버 및 파이프는 주변 또는 외부 매체로부터 열을 흡수하고, 도 4에 도시된 바와 같이 고체를 용해시킨다. 고체가 작은 고체 부분을 갖는 액체가 될 때, 피스톤(2)은 바깥을 향해 거리("L")를 이동하여, 열 전달을 생성하는 상태 변화를 유발한다. 이 지점에서, 피스톤 등이 다시 제동되고, 이를 위해 서보브레이크 등이 사용될 수 있고, 도 17, 도 19, 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 챔버(5) 및 파이프(8)에서 압력 증가가 포스 유닛(10)을 통해 유발되고, 따라서 듀티 사이클을 생성한다.
포스 유닛(10)은 시스템을 통해 열을 방출하거나 흡수함으로써 연결될 수 있기 때문에, 특히 역으로 작동하는 병렬 시스템이 있다면, 포스 유닛은 항상 작동할 수 있다. 다시 말해서, 열이 방출되어 상태 변화를 유발하거나, 또는 열이 흡수되어 상태 변화를 유발할 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 본 발명은 두 개 이상의 매체 사이에서 열 교환을 생성하기 위한 방법을 설명하며, 본 발명은 온도 차이 및 압력 변동의 존재만을 조건으로 가정용, 상업용 또는 산업용 용도에 사용될 수 있으며, 상기 방법은 다음과 같은 단계:
(a) 상태의 변화를 발생할 때까지 파이프(8) 내에 삽입된 유체를 압축하는 단계;
(b) 초기 상태에 도달하기 위해 다시 상태 변화를 발생하기 위해 유체를 압축 해제하는 단계를 포함한다.
유체의 압축 및 압축 해제는 또한,
(a) 피스톤 또는 플런저를 이동시키는 단계 - 피스톤은 원하는 압력에 도달하기 위해 최소 스트로크에 도달해야 함 -;
(b) 상기 파이프(8) 내에 삽입된 상기 유체의 상태 변화 및 열 전달을 발생할 때까지 상기 폐회로를 주변 또는 매체에 노출시키는 단계,
(c) 상태 변화는 액체 또는 초임계 유체 상태로부터 고체로, 기체로부터 액체 또는 초임계 유체로 진행하는 것에 대응하고;
(d) 파이프(8) 내에 삽입된 유체를 압축 해제하고 상기 폐회로를 주변 또는 매체에 노출시켜, 다시 상태 변화를 발생하고 파이프(8) 내에 삽입된 유체의 상태 변화로부터 말미암아 열의 전달을 유발할 때까지, 파이프(8) 내에 삽입된 유체의 팽창을 유발하는 단계 - 상기 열 전달은 열 교환기 등에서 발생함 - 를 포함하며,
(e) 상태 변화는 파이프(8) 내에 삽입된 상기 유체를 고체 상태로부터 액체 상태로 변환시키거나, 또는 초임계 유체, 액체 또는 초임계 유체로부터 기체로 변환시키는 것에 대응한다.
다른 한편, 본 방법은 또한 다음과 같은 단계:
(e) 전자적으로 일방향으로 구동되는 서보브레이크, 또는 전자적으로 일방향 구동되는 밸브 등에 의해, 또는 직접적으로 포스 유닛을 통해, 포스 유닛에 의해 지원되는 압력을 증가시키기 위해 피스톤을 제동하는 단계 - 두 개 이상의 회로를 사용하는 경우 포스 유닛은 회로가 팽창될 때 반대 측 회로의 복귀를 지원하기 위해 사용됨 -;
(f) 전자적으로 일방향으로 구동되는 서보브레이크 또는 밸브, 또는 유사한 기능을 수행하는 다른 디바이스를 해제하거나, 또는 피스톤을 해제하기 위해 포스 유닛을 통해 직접적으로 해제하는 단계 - 두 개 이상의 회로가 사용되고 선형 증압기 펌프가 밸런스 효과를 생성하기 위해 사용될 때, 선형 펌프가 상기 기능을 충족시킬 것임 -; 및
(g) 새로운 사이클을 시작하기 위해 유체의 수축을 유발하고 피스톤을 초기 위치로 복귀시키며 유체의 상태 변화로 인한 열 전달을 유발하기 위한, 더 낮은 또는 더 높은 온도를 갖는 주변 또는 매체에 상기 폐회로를 노출하는 단계를 고려할 수 있다.
설명된 방법은 시스템이 하나의 상태에서 다른 상태로의 프로세스를 거침에 따라, 열 전달로 인한 유체 온도에 따라, 유체가 겪게 되는 압력에 따라, 하나에서 다른 것으로 변환하는 물질인, 막힌 회로 내에서 압력을 받는 유체의 상태 변화, 즉 액체 또는 부분적 액체 상태, 또는 초임계 유체로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로 및 그 반대로, 기체로부터 액체로 및 그 반대로의 상태 변화 - 이것은 회로를 둘러싸는 매체의 온도를 동일하게 하기 위한 유체의 경향으로 인한 것임 - 를 유발하기 위해 상이한 포스 유닛에 의해 유발될 수 있는 압력 변동과 조합하여 온도를 사용하는 단계를 또한 포함한다.
프로세스의 동작은 회로 내에서 압축 및 압축 해제의 생성을 위해 필요한 한 세트의 장비로 구성되는 시스템에 따라 다르며, 이것은 도 17, 도 19, 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 펌핑 장비, 유압 펌프, 포스 유닛(10)으로 불리는 한 세트의 장비 등을 통해 획득될 수 있다.
일반적으로, 시스템은 실린더(1) 및 피스톤(2)의 부분인 챔버(5)로 이루어지며, 유체는 압력에 의해 열을 흡수하기 위해 볼륨을 증가시키거나, 또는 열을 방출하기 위해 볼륨을 감소시킨다.
특히, 파이프의 회로로 이루어지는 시스템의 구성은 도 17에서 볼 수 있으며, 파이프(12)는 피스톤을 움직이고, 회로, 유압 시스템, 가압 펌프, 유압 펌프(32), 선형 증압기 펌프(1), 직접-구동 로터리 펌프 또는 플런저 펌프(1) 또는 이러한 기능을 충족시킬 수 있는 다른 장비의 내부 압력을 증가 또는 감소시키기 위해, 플런저(27) 및 피스톤(2)을 갖는 실린더(1)에 연결된다. 도 17의 경우, 모터(28), 이 경우 각각의 포스 유닛의 전기 모터와 함께 유압 펌프(32)는 회로의 압력을 다시 증가시키기 위해 필요한 힘을 각각의 피스톤(27)에 가할 것이다. 그 다음에, 파이프(12)는 복수의 파이프, 또는 플레이트, 핀(8) 등, 열 전달 표면을 증가시키기 위해 배열될 수 있는 이러한 모세관 등을 갖는 파이프에 연결되어 열 교환기(3, 4)를 형성한다. 팬(30)은 열 교환기(34)를 통과하는 공기를 밀어내거나 흡입하여, 파이프(8)가 주변 또는 매체와 접촉되도록 한다. 차가운 또는 뜨거운 공기 유동은 통기 덕트(31)를 통해 배출되거나 유입된다.
선형 증압기 펌프(1)를 사용하는 경우, 선형 증압기 펌프는, 필요하면, 필 밸브(fill valve)(33)를 통해 충전 유체의 유입이 제어될 수 있게 하고, 릴리프 밸브(relief valve)를 통해 및 이 경우는 방향 제어 밸브(29) 및 선형 증압기 펌프(1)를 동작시키기 위한 다른 전형적인 요소와 함께 유압 펌프(32)를 통해 압력을 제어하기 위한 센서를 갖는다.
피스톤 등에 적용되는 전자적으로 일 방향으로 구동되는 밸브(26)의 작용은 피스톤이 복귀되는 것을 방지하고, 포스 유닛(10), 이를테면 유압 펌프, 선형 증압기 펌프, 플런저 펌프, 또는 회로 내의 유체 압력을 증가시켜 수축 동안 상태 변화를 생성하는 기능을 충족시키는 모든 유형의 가압 펌프의 다른 컴포넌트의 지원에 의해 최소 이동 지점에서 피스톤을 유지한다(피스톤 등에 작용되는 압력은 흡입을 유발할 수 있거나 또는 피스톤의 어느 한 측이 가압되는지에 따라서 대기압보다 더 낮을 수 있다).
포스 유닛은 제어 유닛(11)에 의해 연결되고 제어될 것이다.
도 19는 도 17의 구성에 대한 변형예를 도시하며, 이 도면은 물과 같은 유체로 작동될 수 있는 시스템, 이 경우 액체로부터 고체 상태(경우에 따라서, 얼음 Ih, 또는 얼음 II, 또는 얼음 III, 또는 얼음 V, 또는 얼음 VI, 또는 얼음 VII)로의 상태 변화를 일으킬 수 있는 시스템을 도시하고, 파이프(8)에 가장 가까울 수 있는 포스 유닛 장비는 방향 제어 밸브(38) 등일 수 있고, 이것이 없고 사용되지 않는 경우에는 선형 증압 펌프 또는 복동식 피스톤 등이 사용될 수 있다. 전자적으로 단일 방향으로 구동되는 서보브레이크(26), 또는 일 방향 밸브 등으로 인해, 파이프 세트(12 및 8)를 폐쇄하고 내부 압력을 발생하는, 파이프(12)에 연결되는 하나 이상의 포스 유닛은 물이 부분적으로 액체 위상일 때 물이 팽창되는 것을 방지하는데, 왜냐하면 물은 피스톤을 변위 시키지 못하고 피스톤을 밀어 올려 융해/응고 곡선(도 6 및 도 7)을 넘어서는 압력 증가를 유발하며, 물이 응고 프로세스를 시작하기 때문이다. 이러한 프로세스를 시작할 때, 물은 부분적인 응고 때문에 볼륨이 감소되고, 이것은 포스 유닛(10)의 지원으로 피스톤의 변위 및 압력 감소를 유발하고, 이것은 차례로 물이 다시 곡선 아래에 있게 하며, 회로 등의 내부에 있는 유체에 압력을 가하는 펌프의 상시적인 지원으로, 물이 완전히 또는 거의 완전히 고체 상태로 압축될 때까지 프로세스를 연속적으로 반복하게 한다.
다른 한편, 도 21은 유체(물)에 열을 전달하기 위한 시스템의 구성을 도시하며, 이 경우 유체는 열 교환기(34) 옆에 있는 파이프(34)를 통과하고, 방향 제어 밸브(37)는 열 교환기(34)로부터 오는 물일 수 있는 냉각된 유체 및 가열된 유체를 제어한다. 열 교환기로부터 오는 유체를 냉각 또는 가열하기 위해, 유체는 냉각 타워 또는 열 교환기(42) 등 또는 사용을 위한 저장소(41)를 통과한 다음 시스템으로 복귀된다.
시스템은 기체 또는 액체일 수 있고, 기체 상태, 액체 또는 초임계 유체 및 고체 또는 부분적 고체일 수 있고, 그의 증발 또는 응결, 융해 또는 응고 곡선이 2465 Mpa 미만인 임의의 유체를 사용하여 동작하기 위해 개념화된다. 이것은 대기압보다 더 낮은 압력, 즉 음의 압력 및 -60 ℃ 내지 140 ℃의 온도가 또한 고려된다는 것을 의미한다. 또한 시스템은 고체 사이의 상태의 변화를 생성하는 유체의 고체 상태 사이의 상태 변화의 경우에서도 작동할 수 있다.
이러한 상태 변화는 유체의 밀도에서 변화를 생성하며, 교번적으로 수축 및 팽창을 유발하여, 결과적으로 열 전달을 획득한다.
제시된 방법은 주변 열을 흡수 또는 방출하기에 적합하여 가정용, 상업용 또는 산업용 사용을 가능하게 하며, 방법은, 유체의 상태 변화에 의해 유발되는 교번적인 볼륨의 변화를 제외하고, 유체를 순환시키거나 이동시키지 않고, 이러한 유체가 동일한 경로(도 1 내지 도 5)를 따라서 팽창하고 수축하도록, 하나 또는 둘 이상의 막힌 회로 내로 도입되는 유체 파라미터가 특정 압력 아래로 떨어지지 않는 반면, 미리 결정된 최소 한계 및 최대 한계를 넘어가지 않는 유체의 최대 온도가 최대 설계 압력에 의해 조건이 지워진다면, 유체에 관련한 최소 온도 차이에 접근이 가능한 건물 외부에서든 또는 내부에서든, 임의의 지리적 위치에 구축되거나 설치될 수 있다.
물일 수 있고, 바람직하게는 증류수일 수 있는 유체의 사용이 고려되는 본 발명의 실시형태 및 본 발명의 각각의 시스템에 대해, 제안된 방법은 다음과 같은 방식으로 동작된다:
물은 하나 이상의 밀봉된 챔버(5) 내로 도입되며, 물은 얼음 II로 알려진 고체로 변환되는 경우, 전형적으로 212 MPa 보다 더 큰 높은 압력을 받고, 물은 전형적으로 (냉동의 경우에) -50 ℃, 얼음 III으로부터 액체로 및 그 반대로 변환되는 경우에는 -24 ℃ 이상이어야 하는 주변 온도에 노출되지만, 시스템 내의 최대 온도는 산업용 사용을 위한 목적을 위해, + 90 ℃를 넘지 않는 온도에서, 압력이 2465 Mpa을 넘지 않아야 하는 최대 설계 압력에 의해 조건이 지워진다. (이 경우, 도 7에서 볼 수 있는 온도 및 압력으로 0 ℃ 미만 및 -24 ℃ 초과의 온도로 작동하는 것이 또한 가능하다). 그리고 이러한 경우 시스템 내의 최소 압력은 고체를 액체로 변환시키고 및 그 반대로 변환시키는 경우의 0.13 Mpa 보다 전형적으로 더 클 것이다.
그 다음에, 포스 유닛에 의해, 압력은 액체 상태로부터, 얼음 Ih, 얼음 II, 또는 얼음 III, 또는 얼음 V, 또는 얼음 VI, 또는 얼음 VII으로 알려진 고체 상태로 및 그 반대로 물의 상태 변화를 유발시키도록 제어된다. 이러한 상태 변화는 냉각되거나 가열되는 공간과 회로 내 유체 사이에서 열 전달과 함께 압력의 증가 또는 감소의 결과로서 발생된다. 이러한 회로가 작동하기 위한 상이한 온도의 함수로서 요구되는 상이한 압력 사이의 관계는 아래의 상세한 설명에서 설명된다.
카메라(5); 열 교환기(34)를 형성하는 파이프(12) 및 파이프(8) 등은 폐회로로 변환되고, 블록 등에 표시된 n 개의 파이프 또는 회로로 구성되며, "n"은 1 이상일 수 있고, 파이프 또는 회로는, 예로서, 파도 모양을 묘사하는 나선형, 지그재그의 복잡한 형태를 취할 수 있고, 가변 길이를 가질 수 있고, 각각의 회로에 의해 전달되는 에너지의 양이 클수록 회로는 더 길고, 이와 반대로, 더 적은 에너지를 원하면, 회로는 더 짧을 수 있다.
회로의 벽은 시스템의 최대 설계 압력을 견디는데 필요한 벽 두께(6 및 7)를 갖는, 다른 재료 중에서도, 저항성 및 열 전도성을 갖는 재료, 이를테면, 카본 나노튜브, 그래핀 나노튜브, 카본, 그래핀, 철, 스틸, 티타늄, 구리로 구성되며, 회로는 주변 온도에 노출되고, 물 온도는 -50 ℃ 이상이어야 하고, 얼음 II로 알려진 고체로 변환되는 경우 물은 전형적으로 더 높은 212 Mpa로 가압되고, 시스템 내 최소 압력은 전형적으로 0.13 Mpa보다 더 클 것이고, 물의 상태 변화를 액체로부터 기체로 및 그 반대로, 또는 고체로부터 기체로 및 그 반대로 유발시키는 경우, 온도는 -50 ℃ 내지 90 ℃이고 압력은 하나의 회로 단부에 설치된 하나 이상의 포스 유닛(10)을 통해 물을 가압함으로써 모든 경우에 대해 1 파스칼 내지 0.13 Mpa 사이일 수 있으며, 선형 증압기 펌프(도 17) 등이 사용되는 경우, 피스톤은 이러한 포스 유닛 내에 있을 것이다. 포스 유닛(10)은, 각각의 유닛이 제어 시스템(11)에 연결된 액추에이터 및 전자적으로 구동되는 서보브레이크, 필 밸브(33), 릴리프 밸브 등, 유압 유체 탱크(35)와 같은 다른 컴포넌트 이외에, 피스톤, 플런저(27), 유압 실린더 피스톤, 가압 펌프, 유압 펌프(32), 선형 증압식 펌프(linear intensifying pump)(1), 직접 구동 회전 펌프(direct drive rotary pump) 또는 플런저 펌프(1)(도 17, 도 20) 등일 수 있는, 회로의 내부 압력을 증가 또는 감소시킬 수 있는 장치; 전기 모터 또는 디젤(28) 등; 플런저(27) 또는 다른 것의 변위를 유발시키기 위한 방향 제어 밸브; 압축 해제 중인 유체의 복귀를 제어하는 것과 함께 교번적으로 압력을 회로 또는 다른 회로로 향하게 하기 위한 방향 제어 밸브(38), 열 교환기(34)로부터 나오는 물일 수 있는 냉각된 및 가열된 유체를 제어하는 방향 제어 밸브(38); 열 교환기(도 21)로부터 나오는 유체를 냉각 또는 가열하기 위한 냉각 타워 또는 열 교환기(42) 등; 열 교환기(34)를 통과하는 유체를 변위시키기 위한 유압 펌프(도 21)로 구성된다. 이러한 시스템은 경우에 따라 상이한 온도에서 액체 상태로부터 고체 또는 부분적 고체 상태(얼음 Ih, 얼음 III, 또는 얼음 V, 또는 얼음 VI, 또는 얼음 VIII)로의 물의 상태 변화를 유발하는 방식으로 압력 및 수축을 제어하고,; 마찬가지로, 압력이 물의 팽창을 획득하는 방식으로 제어되면, 반대 방향으로의 상태 변화를 겪을 것이다. 이러한 상태 변화는 물(3)의 밀도 변화를 생성하며, 교번적으로 포스 유닛에 의해 물의 수축을 유발하고 피스톤(2)을 움직이는 팽창을 유발하여, 열을 흡수하고 방출하는 열 전달을 생성한다. 또한, 제어 시스템은 보조 장비(9)를 제어한다.
방법은 유체, 이 경우 물(3)의 상태 변화를 유발시키기 위한 특정 값 및 이 값들의 상관관계를 기초로 하고, 내부 온도에 따라 필요로 하는 상이한 압력을 고려하고, 내부 온도 및 압력은 둘 모두 하나 이상의 센서로 측정되고, 포스 유닛(도 16, 도 17, 도 19, 도 20, 도 21) 및 보조 장비(9)(도 10, 도 11, 도12)의 작동을 제어하는 제어 시스템을 통해 제어된다.
도 22, 도 23 및 도 24는 보조 장비가 설치된 공기 조화 시스템의 개략도를 도시한다. 이러한 공기 조화 시스템은 열 교환기(34)를 통과하는 공기를 밀어내거나 흡입하는 팬(30)으로 구성되며; 열 교환기 내부에서, 코일을 형성하는 파이프(8)가 파이프를 통과하는 유체의 열을 흡수 또는 방출하고; 열 교환기(34)는, 파이프(12)를 통해 포스 유닛(10)에 연결되며, 경우에 따라, 차가움 또는 열 또는 가열된 유체 또는 냉각된 유체를 방출하거나 도입하기 위해, 그 내부에서 압축되는 유체를 통과시키고 파이프(8)에 도달시킨다. 통풍 파이프 또는 덕트(31) 및 덕트에 들어오는 공기 유동을 제어하기 위한 통기 게이트(40)가 있다.
또한, 시스템은, 다른 이유 중에서도, 파이프의 외부 표면상에 얼음이 있는 경우에, 저항기 등을 통해 파이프(8)를 가열할 수 있는 히터; 라디에이터(radiator), 하나의 매체에서 다른 매체로 열을 전달하는 기능을 충족시키는 열 교환기(34), 제어 시스템에 정보를 전달하기 위해 열 교환기의 상이한 지점에 연결되는 서모스탯, 가습기, 유체를 냉각 또는 가열하는 경우 가열된 또는 냉각된 유체를 특정 위치로 향하도록 열 교환기의 유출구에 연결되는 방향 제어 밸브(37) 등, 두 개 이상의 회로 사이에서 압축될 유동을 교번하기 위해 열 교환기와 펌프 또는 압축기 등의 사이에 연결되는 방향 제어 밸브(38)를 고려한다.
일부 구성에서, 모두 유무선 회로를 통해 연결되는 다른 것들 중에서, 방향 제어 밸브(38)는 요구되지 않는다(도 22). 또한, 방향 제어 밸브(37) 등뿐만 아니라 팬 또는 통기 게이트(ventilation gate)(40)의 방향은 유체를 냉각 또는 가열하는 경우, 시스템을 난방 또는 냉방 모드로 사용하기 위해 역전될 수 있다.
주변 또는 매체의 온도 차이를 감소시키기 위해, 시스템은 다른 전통적인 공기 조화 시스템에 연결할 수 있고, 또는 심지어는 동일한 특성을 갖는 하나 이상의 시스템과 연결할 수 있거나 또는 하나 또는 두 개 이상의 포스 유닛(10)에 의해 연결되는 두 개 이상의 막힌 회로 사이에 연결할 수 있으며, 이러한 연결은 직렬로 또는 캐스케이드로 이루어질 수 있고, 이것은 열이 전달된 매체의 유동 방향에 따라 회로의 수가 줄어든다는 것을 의미한다. 예를 들어, 제1 라인에서, 4개의 회로가 작동 중이면(2개의 시스템), 제2 라인에서는 2개의 회로가 작동 중일 것이다. 열을 전달하기 위한 매체 유동이 또한 감소할 것이며, 그 유동의 100 %는 제1 라인에 들어갈 것이고, 그 과정에서, 유동의 50 %는 방출되고 나머지 50 %는 제2 라인에 들어갈 것이고, 제2 라인의 50 %는 다시 방출되는 등의 방식으로 방출될 것이다(도 25 및 도 26). 이러한 방법론은 상이한 사이즈의 연속적인 시스템을 배치함으로써, 또는 동일한 개수의 회로를 배치하되, 앞의 것과의 관계에서 다음 라인 상에 있는 회로의 50 %를 단절시킴으로써 작동할 수 있고, 이러한 마지막 구성은 시스템의 작동을 반대로 할 수 있게 한다(도 23 및 도 24).
유체는 압축 가능하고 팽창 가능한 임의의 타입의 유체일 수 있으며, 따라서 유체가 압축되고 압축 해제될 때, 유체는 경우에 따라 열을 방출하거나 흡수할 수 있으며, 이러한 전달은 예를 들어, 액체로부터 고체 또는 부분적 고체로 및 그 반대와 같은 이러한 유체의 완전한 또는 부분적 상태 변화의 결과로서 더욱 커질 수 있지만, 사용될 유체의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 유체는 물, CO2, 염화 칼슘 또는 유체마다 상이할 수 있는 특정 온도 및 압력에서 유체가 상태를 변화할 때, 열을 흡수하거나 방출할 수 있는 잠열을 갖는 임의의 다른 물질과 물의 혼합물일 수 있고, 이러한 유체는 유기, 무기 및, 소위 "PCM" 상 변화 유체(phase change fluids)(상 변화 재료(Phase Change Material) 또는 상 변화 재료(Phase Change Material)로 불리는 공융 혼합물(eutectic)일 수 있다.
대기압보다 더 낮은 압력이 적용될 수 있거나, 또는 응고 온도보다 더 낮은 온도에서, 또는 고체로부터 고체 상태로 또는 고체로부터 액체로 및 그 반대로의 온도 변화에서, 또는 대기압에서 특정 유체의 위에서 언급된 상태 변화로부터 상태 변화를 획득하기 위해 회로로부터 압력이 제거(take off)될 수 있으며, 이것은 영역에 따라, 평균 주변 온도에서 대기압에서 상태 변화가 있는 유체를 선택하기 위해, 이를테면 더 낮은 양(positive)의 압력 또는 음(negative)의 압력(대기압보다 더 낮은 압력)을 적용할 수 있는데, 왜냐하면 대기압에서 상태 변화가 일어나는 온도와 냉각 또는 가열을 위해 공기 또는 액체를 통과시키는 온도 사이의 온도 차이가 클수록, 유체가 받게 되는 차이 압력은 더 크기 때문이며, 따라서, 본 방법 및 시스템이 대기압 보다 더 낮은 압력으로 사용되지 않는다면, 대기압에 대해 유체가 상태를 변경하는 온도는 본 방법 및 시스템이 작동할 수 있는 최소 온도가 될 것이기 때문에 더 낮아야 할 것이고 이는 본 방법 및 시스템의 사용을 제한하게 될 것이고, 따라서, 매우 낮은 온도에서 대기압에서 상태 변화가 있는 유체가 선택되어야 하고, 상태 변화를 생성하기 위해 매우 높은 압력이 항상 가해져야 할 것이며, 이와 달리, 만약 유체가 더 높은 온도에서 또는 이러한 파이프를 통과하는 공기 또는 유체의 평균 온도에서 상태를 변경한다면, 대기압보다 더 큰 압력 또는 대기압보다 더 낮은 압력이, 가열되거나 냉각될 공기 또는 액체의 온도가 대기압에서 유체의 상태 변화 온도보다 더 낮은 경우에, 가해질 수 있다. 이것은 공급 밸브(33) 등에 의해 파이프 내에 약간의 유체를 넣거나 뺌으로써 제어되며, 만약 열 교환기 등을 통과하는 공기 또는 액체의 온도가 높아졌기 때문에, 그리고, 매우 높은 압력이 가해지는 것을 원하지 않기 때문에, 상태 변화 온도를 더 높은 온도로 대체하는 것(압력-온도 곡선을 오른쪽으로 변위시키는 것)이 필요하면, 선형 증압기 펌프 등의 플런저가 중심에 있을 때 각각의 회로는 피스톤(2) 등의 일 면을 가압할 것이고, 그래서 두 회로 모두 내에 압력이 있을 것이며, 유체가 반드시 상태를 변경하기 위해, 이것이 일어나는 온도는 유체가 대기압에 의해 상태를 변경하는 온도보다 더 높아야 할 것이며, 동일한 방식으로, 선형 증압기 펌프 등의 플런저가 중심에 있을 때, 회로로부터 유체를 제거하는 경우, 회로는 피스톤(2) 등을 흡입하여, 음의 압력 또는 대기압보다 더 낮은 압력을 가할 것이며, 유체가 반드시 상태를 변경해야 하는 경우, 온도는 유체가 대기압에 의해 상태를 변경하는 온도보다 더 낮아야 할 것이다. 이러한 모든 것은 에너지 절약을 가져오는데, 왜냐하면 예를 들어 80 Mpa으로 도달하는 데는 -40 MPA에서 (동일한 양의 압력이되 음의 압력에서) 0에 40 Mpa가 추가될 때 0으로부터 보다는 대략 두 배의 에너지가 필요하기 때문이다. 서로의 앞에 배치되는 (피스톤의 일 면이 다른 피스톤의 일 면 위에 배치되는) 두 개의 복동식 피스톤(double-acting piston)이 또한 사용되어, 하나의 피스톤이 다른 실린더의 피스톤을 압축하고, 그리고 음의 압력을 유발하기 위해서는 그 반대로 행하도록 할 수 있으며, 이러한 피스톤은 증압기 펌프의 동일한 기능을 따를 것이다.
따라서, 만약 유체가 대기압에서 섭씨 15 도에서 응고되면, 섭씨 10 도에서 상태 변화를 생성하기 위해서는 음의 압력이 필요하다.
이러한 시스템은 공기를 가열 또는 냉각하고 물과 같은 유체를 가열 또는 냉각하기 위해 사용될 수 있다(도 17, 도 19, 도 20, 도 21). 물과 같은 유체를 냉각하는 경우에, 유체는 도 21에 도시된 바와 같이 (41)을 사용하여 나중에 복귀될 수 있으며, 공기의 경우에도 동일하게 일어날 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 또한 가정용, 상업용 또는 산업용 사용을 가능하게 하는, 두 개 이상의 매체 사이에서 열 전달을 생성하기 위한 시스템 설명하며, 시스템은:
(a) 유체의 압력을 증가 또는 감소시킬 수 있는 하나 이상의 포스 유닛;
(b) 막힌 파이프라인 회로를 포함하며,
막힌 파이프라인 회로는 단부 중 일 단부에서 폐쇄된, 막힌 파이프라인 회로 등을 형성하기 위한 하나 이상의 파이프를 포함하고; 파이프의 부분은 플레이트(plate) 또는 핀(fin) 등을 구비하는 파이프이고, 이들은 모세관 등일 수 있다.
포스 유닛은 유체의 압력을 증가 또는 감소시킬 수 있는 디바이스, 플런저 타입, 피스톤 등, 디바이스를 이동시키기 위한 펌프 등을 포함한다.
또한, 시스템은:
(a) 액체 또는 초임계 유체 상태로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로 및 그 반대로, 기체로부터 액체로 및 그 반대로 유체 상태 변화를 유발하도록 압력 및 수축을 제어하는 제어 시스템;
(b) 제어 회로에 정보를 전달하는 하나 이상의 고정된 압력 및 온도 센서;
(c) 자동 제어 시스템에 연결되는, 하나 이상의 포스 유닛의 부분인 하나 이상의 전자적으로 구동되는 서보 브레이크 또는 제어 밸브 등;
(d) 열 교환기(34);
(e) 경우에 따라 열 또는 냉기를 방출하거나 도입시키기 위한 통풍 덕트(31);
(f) 냉각 타워 또는 열 교환기(42) 등;
(g) 경우에 따라 열 또는 냉기를 방출 또는 도입시키기 위한, 통기 파이프 또는 덕트 등에 들어가는 공기 유동을 제어하는 통기 게이트(40) 등;
(h) 유체의 냉각 또는 가열을 지원하는 외부 열원;
(i) 시스템을 가열 모드 또는 냉각 모드로 사용하기 위해 역전될 수 있는 팬 및/또는 통기 게이트(40);
(j) 시스템을 가열 모드 또는 냉각 모드로 사용하기 위해 방향을 역전할 수 있는, 열 교환기(34)를 통한 유체를 변위시키기 위한 펌프;
(k) 열 교환기(42)를 포함한다.
시스템의 포스 유닛은 전자적으로 구동되는 액추에이터 및 서보브레이크, 필 밸브, 릴리프 밸브 등과 같은 다른 컴포넌트 이외에, 피스톤, 유압 실린더 피스톤, 가압 펌프, 유압 펌프, 선형 증압기 펌프 등, 회전식 직접 구동 펌프 등, 플런저 펌프 등, 전기 모터 등, 방향 제어 또는 다른 전자적으로 구동되는 밸브이다.
다른 한편, 시스템은 하나 초과의 회로를 사용할 수 있고, 만약 그렇다면, 이들 회로는 하나 이상의 포스 유닛에 연결될 수 있으며, 이러한 포스 유닛은 제어 시스템과 함께 각각의 회로의 온도를 제어한다.
두 개 이상의 회로가 사용되고 선형 증압기 펌프 등이 밸런스 효과를 생성하기 위해 사용될 때, 선형 증압기는 회로의 제1 측 상에서 피스톤을 최소 스트로크로 유지하고 피스톤을 압축하는 기능 및 회로의 제2 측 상에서 피스톤을 최대 스트로크로 유지하고 피스톤을 압축 해제하는 기능을 충족시킬 것이고; 압축 및 압축 해제는 파이프(8) 내에 삽입된 유체의 상태 변화로 인해 열 전달을 유발한다. 상기 밸런스 효과는 또한 활성화 또는 비활성화되는 서보브레이크 또는 제어 밸브 등으로 수행될 수 있으며, 활성화될 때 압축이 생성되고, 비활성화될 때 압축 해제가 생성된다. 유체가 압축 해제되고 팽창될 때, 제어 시스템에 의해 제어되는 제어 밸브(37) 등은 이러한 팽창된 유체를 플런저 펌프 등으로 복귀시킨다.
시스템은 또한 상태가 변할 유체에 대해 온도 차이를 감소시키기 위해 통상적인 공기 조화 시스템과 연결할 수 있다. 이것은 이러한 새로운 시스템의 열 교환기에 들어갈 주변 또는 매체의 온도를 감소 또는 증가시키고, 복합 시스템을 하이브리드 시스템으로 구성한다는 의미이다.
다른 특성은 더 낮은 부하로 작동하기 위해 시스템이 현재 시스템의 응축기 또는 증발기의 주변 또는 매체의 온도를 감소 또는 증가시키기 위한 지원부로서 역할을 한다는 것이다.
이의 범위를 증가시키기 위해, 하나 초과의 시스템이 연결될 수 있고, 이것은 온도 구배를 증가시키기 위해 이것은 직렬로 또는 캐스케이드로 배열될 수 있다.
응용 실시예
8개의 실시예가 아래에서 예로서 제시되며, 이러한 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
실시예 1:
스틸 파이프로 이루어지는 두 개의 막힌 회로가 구성되며, 이 회로는 요구되는 온도에서 응고를 달성하고, 이 경우 -21 ℃ 내지 30 ℃의 온도에서 동작하기 위해, 수학식 P(VI)의 결과로서 1115 Mpa의 설계 압력을 가질 것이고, 따라서, 이러한 경우 시스템 내의 압력은 210 내지 1050 Mpa 사이의 범위일 것이다. 회로는 0.5 mm의 내부 직경 및 1.5 mm의 두께 및 4 미터의 길이를 갖는 메인 파이프(12)로 구성된다. 메인 파이프의 단부 중 일 단부, 이하 단부(19)에서, 1 mm의 내부 직경을 갖고, 4.26 mm의 두께 및 50 mm의 길이를 갖는 파이프(17)가 길이 482 mm 및 152 mm의 직경의 포스 유닛(10)의 부분인 압력 증압기에 삽입되어 여기에 연결되며, 이곳에서, 상태 변화의 결과로서, 볼륨이 변경되는 유체의 교본적 작용에 의해 변위되는, 실린더 내에서 교번적으로 양쪽 방향으로 이동될, 15.87 mm의 직경을 갖는 피스톤(2)이 10 cm의 파이프를 통해 연결된다. 피스톤(2)은 또한 본 실시예에서 "포스 유닛 1"으로 불리는 포스 유닛(10)의 부분이고, 필요하면, 필 밸브를 통해 충전 유체의 도입이 제어될 수 있게 하고, 릴리프 밸브 및 이 경우는 피스톤과 증압기 사이에 연결되는 전자적으로 일 방향으로 구동되는 밸브와 함께, 피스톤을 압축하여 상태 유체를 변화시키는 포스 유닛 1 의 부분인, 400 W의 파워를 갖는 유압 실린더 피스톤 등을 통해 압력을 제어하기 위한 센서를 갖는다. 단부(20)로 불리는 단부로부터 0.1 미터에서, 본 실시예의 경우 단부(19)로부터 4 미터에 위치되는 상기 단부가 파이프를 통해 제어 시스템(11)에 연결된다. 또한, 시스템은 두 개의 서모스탯, 압력 스위치, 두 개의 팬, 100 W의 전력을 갖는 히터 및 쿨러, 이 경우 펠티어 셀(peltier cell)(이하 "보조 장비"로 구성되고, 히터 및 쿨러는, 필요하면, 유체 온도를 증가 또는 감소시키는 기능을 수행하고, 이러한 온도의 증가 또는 감소는 압축 및 압축 해제의 도움과 함께 사이클을 폐쇄시킨다.
메인 파이프(12)의 다른 단부에서, 본 실시예의 경우, 단부(19)로부터 4 미터인 곳에 위치된 단부(21)에서, 제1 파이프(13)가 연결되고, 이곳으로부터 파이프(22)가 출현하고, 이 경우 파이프는 매니폴드이고, 여기에 제1 복수의 파이프(8), 이 경우 모세관 등이 연결된다. 매니폴드 파이프(22)는 1 mm 의 내부 직경 및 4.26 mm의 두께 및 10 센티미터의 길이를 갖는다. 모세관 파이프(8) 등은 0.5 mm의 내부 직경 및 1.5 mm의 두께를 갖고, 각각 100 센티미터의 길이 및 50 센티미터의 높이를 갖는 코일 또는 라디에이터를 형성하는 500 미터의 길이를 갖고, 또한 펠티어 셀 등에 연결된다. 파이프(8)는 이러한 매니폴드 파이프(22)에 연결되고, 이 매니폴드 파이프는 1 mm의 내부 직경 및 4.26 mm의 두께 및 5 센티미터의 길이를 갖는 파이프(13)에 연결된다. 본 실시예에서, 전체 3개의 모세관 파이프가 파이프(22)에 연결되고, 이 모세관 파이프는 파이프(22)를 따라 서로 33 mm 이격되어 연결된다. 이 경우, 축에 연결되는 두 개의 유압 실린더 피스톤 및 도 15에서 양쪽 회로를 연결하는 두 개의 커넥팅 로드 등으로 구성되는 포스 유닛 1 은 또한 모두 제어 시스템(11)에 연결되는 두 개의 필 밸브 및 두 개의 릴리프 밸브를 갖는 두 개의 피스톤 이외에, 두 개의 압력 증압기, 및 두 개의 전자적 구동 일 방향 밸브 등으로 구성된다.
바람직하게, 증류수, 이하 "물"이 도입되고, 이어서 포스 유닛 1 의 유압 실린더 피스톤이 피스톤을 압축하고, 시스템으로부터 모든 공기를 제거하고 단지 물만을 남겨놓고, 파이프 플러그(pipe plug)로 자유 단부를 폐쇄한다.
이어서, 유압 실린더 피스톤 등의 변위에 따라, 양쪽 회로 내의 압력은 20.8 Mpa로 증가될 것이고, 압력 증압기의 작동에 의해, 회로의 압력은 208 Mpa에 도달할 것이며(증압기는 1: 10의 비율을 가짐), 이어서 열을 흡수하는 경우에, 물은 물을 액체 상태로 유지하는 -21 ℃에서 냉각될 것이고, 이어서, 유압 실린더 피스톤 1은 물을 22 Mpa에서 압축하여, 220 Mpa의 증압기의 유출 압력을 획득할 것이고, 본 실시예 1의 경우 회로 내에서, 압축은 이러한 회로가 최대로 이동할 때 시작되고 물이 응고될 때까지 수행된다. 이것이 발생되는 동안, 반대 측 회로(회로 2)의 피스톤은 최대 스트로크에 위치될 것이며, 이것이 발생되는 동안, 이 회로 2의 필 밸브 등은 이 회로 2 내로 물을 넣기 위해 개방될 것이고, 이어서 이러한 회로 2의 유압 실린더 피스톤은 피스톤 2를 압축할 것이고, 회로 2 내의 물이 응고될 때까지 압력 증압기로 압력을 증가시킨다.
각각의 회로는 동일한 방식으로 작동된다.
열 전달의 열적 프로세스와 합동하여, 포스 유닛 1 은 각각의 회로의 내부 압력을 변하게 고 이에 따라 물의 상태 변화가 일어난다. 전술한 프로세스는 포스 유닛 1 의 일 방향 밸브 등의 작용과 함께 피스톤이 복귀하는 것을 방지하고, 피스톤을 최소 이동 지점에 남아 있게 하며, 이러한 수축 동안, 물의 액체로부터 고체 상태(얼음 III, 또는 얼음 V, 또는 얼음 VI)로의 상태 변화를 생성하고, 파이프 내 섭씨 -21 도의 물의 온도에서, 이를 초과하는 다른 매체의 온도에 의해 얼음 III의 융해로 열을 흡수하며, 동시에, 반대측 회로의 액체로부터 고체로의 변환으로 열을 넘겨주고, 일 방향 밸브 등은 물이 부분적으로 액체 위상일 때 물이 계속 팽창되는 것을 방지할 것이므로, 물이 피스톤을 변위시키지 않고 피스톤을 가압할 것이기 때문에, 포스 유닛 1 의 도움으로, 융해/응고 곡선을 가로지르는 압력 증가를 유발할 것이고 이것은 응고 프로세스를 시작시킬 것이다. 이러한 프로세스를 시작할 때, 물은 부분적인 응고로 인해 볼륨이 감소될 것이고, 얼음 Ih의 경우에, 물은 반대로 작용하여 볼륨을 증가시킬 것이고, 이것은 피스톤의 변위 및 압력의 감소를 유발할 것이고, 이것은 차례로 물이 곡선 아래로 복귀되게 하여 물이 완전히 또는 거의 완전히 고체 상태로 압축될 때까지 계속 프로세스를 반복하게 할 것이다. 동일한 포스 유닛의 유압 실린더 피스톤은, 필요하면, 유압 실린더 피스톤이 팽창할 때 반대측 회로의 가압 작용(밸런스 효과)과 함께, 피스톤의 복귀를 가속하기 위한 지원부의 역할을 할 것이며, 반면에 이러한 반대측 회로의 피스톤은 동시에 역 상태 변화, 즉 고체로부터 액체로의 역 상태 변화 프로세스를 수행할 것이다. 이러한 프로세스는 열 전달 프로세스를 통해 수행된다. 이러한 프로세스 동안, 피스톤의 위치 및 각 회로 내의 각각의 이차 파이프의 모세관 파이프에 각각 하나씩 배치되는 두 개의 온도 및 압력 센서에 관한 정보를 수신하는 제어 시스템은 파이프 내부 온도 및 외부 온도에 관한 정보를 획득한다. 제어 시스템의 기능은 포스 유닛 1 을 통해 상태 변화를 제어하기 위한 것이며, 제어 시스템은 컴포넌트 및 보조 장비를 제어하며, 예를 들어, 제어 시스템은 통기 게이트(40)를 제어하여 차가운 공기 또는 열의 유동이 통기 덕트(31)를 통해 경우에 따라 특정 장소에 도입되거나 방출되도록 한다. 또한, 시스템이 정지할 때 최대 설계 압력을 초과하는 것을 방지하기 위해, 제어 시스템은 압력을 방출하기 위해 릴리프 밸브 등을 활성화시킬 것이다.
그 압력에서 고체 상태(경우에 따라 얼음 II, 또는 얼음 III, 또는 얼음 V 또는 얼음 VI)에 있는 물은 액체 물보다 더 큰 밀도를 갖기 때문에, 고체 상태로부터 액체 상태로의 상태 변화 일어날 때, 유체가 이러한 위상 변화에 있게 하는 압력에 따라 대략 2 내지 11%의 볼륨 변화가 일어나고(얼음 Ih의 경우 반대일 것임), 이러한 변화는 시스템이 흡수하게 하며, 액체 또는 부분적 액체로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로의 상태 변화가 일어날 때, 시스템은 이 경우 30,000 BTU/h의 흡수 또는 방출을 위한 열 용량을 갖는 열을 방출한다.
이러한 프로세스는 필요에 따라 하루 내내 계속 반복된다. 제어 시스템은 희망하는 온도에 도달되도록 물의 초기 온도를 제어할 것이다. 물은 물이 응고될 때 열을 방출할 것이고 물이 융해될 때 열을 흡수할 것이다. 이러한 흡수되거나 전달되는 열은 모두 위에서 언급한 상태 변화를 생성할 것이다.
팬의 방향은 가열 모드 또는 냉각 모드로의 사용을 위해 역전될 것이다.
실시예 2:
스틸 파이프로 구성되는 두 개의 막힌 회로가 구성되며, 이 회로는 요구되는 온도에서 이들이 응고할 수 있도록, 그리고 이 경우 이들이 -21 ℃ 내지 30 ℃의 온도에서 동작하도록, 수학식 P(VI)의 결과로서 1115 Mpa의 설계 압력을 가질 것이고, 따라서, 이러한 경우에 시스템 내의 압력은 210 내지 1050 Mpa 사이의 범위일 것이다. 회로는 0.5 mm의 내부 직경 및 1.5 mm의 두께 및 4 미터의 길이를 갖는 메인 파이프(12)로 구성된다. 메인 파이프의 단부 중 일 단부, 이하 단부(19)에서, 1 mm의 내부 직경을 갖고, 4.26 mm의 두께 및 50 mm의 길이를 갖는 파이프(17)가 도 17의 포스 유닛(10)의 부분이고, 길이 482 mm 및 152 mm의 직경을 갖는 선형 증압기 펌프, 이하 "증압기"에 연결되고, 그 내부에는 상태 변화의 결과로서, 볼륨이 변경되는 유체의 교번적인 작용에 의해 변위되는, 교번적으로 양쪽 방향으로 움직일 실린더 피스톤 2이 있다. 증압기 펌프는, 필요하다면, 필 밸브를 통해, 충전 유체의 유입을 제어할 수 있게 하고, 릴리프 밸브 및 이 경우 상태 유체를 변경하기 위한 피스톤을 압축하는, 440W 파워를 갖는 포스 유닛 1 의 부분인, 선형 증압기 펌프(1)의 다른 전형적인 요소 및 방향 제어 밸브와 함께 유압 펌프(32)를 통해 압력을 제어하기 위한, 센서를 갖는다. 단부(20)로 불리는 단부로부터 0.1 미터에서, 본 실시예의 경우 단부(19)로부터 4 미터에 위치되는 상기 단부가 파이프를 통해 제어 시스템(11)에 연결되며, 제어 시스템은 두 개의 서모스탯, 압력 스위치, 각각 30 W인 두 개의 팬, 이하, "보조 장비", 로 구성되며, 히터 및 쿨러는 필요하면 유체의 온도를 증가 또는 감소시키는 기능을 수행하며, 압축 및 압축 해제의 도움과 함께 온도의 이러한 증가 또는 감소는 회로를 폐쇄한다.
메인 파이프(12)의 다른 단부에서, 본 실시예의 경우, 단부(19)로부터 4 미터인 곳에 위치된 상기 단부(21)에서, 제1 파이프(13)가 연결되고, 이곳으로부터 파이프(22)가 출현하고, 이 경우 파이프는 매니폴드이고, 여기에서 제1 복수의 파이프(8)가 연결된다. 매니폴드 파이프(22)는 1 mm의 내부 직경을 갖고 4.26 mm의 두께 및 10 센티미터의 길이를 갖는다.
모세관 파이프(8) 등은 0.5 mm의 내부 직경 및 1.5 mm의 두께를 갖고, 각각 100 센티미터의 길이 및 50 센티미터의 높이를 갖는 코일 또는 라디에이터를 형성하는 500 미터의 길이를 갖고, 또한 펠티어 셀 등에 연결된다. 파이프(8)는 매니폴드 파이프(22)에 연결되고, 1 mm의 내부 직경 및 4.26 mm의 두께와 5 센티미터의 길이를 갖는 파이프(13)에 연결된다. 본 실시예에서, 전체 3개의 모세관 파이프가 파이프(22)에 연결되고, 이 모세관 파이프는 파이프(22)를 따라 서로 33 mm 이격되어 연결된다. 이러한 경우, 제어 시스템(11)에 연결되는 포스 유닛 1은 양쪽 회로를 연결할 것이다.
바람직하게 증류수, 이하, "물"이 도입되고, 이어서 포스 유닛 1이 시스템을 압축하고, 시스템으로부터 모든 공기를 제거하고 단지 물만을 남겨놓고, 파이프 플러그로 자유 단부를 폐쇄한다.
이어서, 증압기 피스톤의 변위에 의해, 회로의 압력은 선형 증압기 펌프를 통해 그리고 유압 펌프의 도움으로 100 Mpa에서 증가될 것이며, (증압기는 1:20의 비율을 가짐) 이어서, 냉각을 필요로 하는 시스템으로서 공기가 -10 ℃ 에서 통과하는 매체에서 열을 흡수하는 경우에, 공기는 회로 1 및 2에 의해 냉각되는 시스템, 즉 일반적인 공기 조화 장비에 의해 이미 냉각된 시스템으로부터 재순환되며, 공기는 회로 1 및 2의 -10 ℃에서 물을 냉각할 것이며, 이것이 발생되는 동안, 회로 1의 압력은 30 MPA 만큼 증가되어 이 회로에서 130 MPA에 도달하여, 물을 회로 1에서 액체 상태에서 유지시킬 것이며, 회로가 130 MPA의 압력 아래에 있어서, 압력을 물이 -10 ℃에서 얼음 Ih로 변환되기 위해 필요한 압력보다 더 높게 만들기 때문에, 즉각적으로 유압 펌프를 통한 증압기 피스톤이 70 Mpa 만큼 회로 2에서 물을 압축 해제할 것이며, 물이 회로 1에서 액체로 남아 있는 동안, 회로 2에서 물은 물이 얼음 ih로 변환될 것이고 열을 방출할 것이기 때문에 응고될 것이다. 이어서, 회로 2가 완전히 또는 부분적으로 응고될 때, 그 압력은 130 Mpa로 증가하고 회로 1의 압력은 70 Mpa로 감소할 것이며, 따라서, 회로 1은 열을 방출하고 회로 2는 융해될 것이기 때문에 열을 흡수할 것이며, 이것은 교번적으로 각각의 회로를 압축하고 압축 해제하고, 열을 흡수하고 방출할 것이며, 열을 흡수하는 회로를 통과하는 공기는 냉각 시스템으로 재진입하고, 열을 부여하는 회로를 통과하는 공기는 외부로 제거될 것이다. 냉각될 장소가 가질 수 있는 낮은 압력으로 인해 제어된 통기가 사용될 것이다.
각각의 회로는 동일한 방식으로 작동된다.
열 전달의 열적 프로세스와 합동하여, 포스 유닛 1은 각각의 회로의 내부 압력을 변하게 고 이에 따라 물의 상태 변화가 일어난다. 전술한 프로세스는 포스 유닛 1의 컴포넌트의 작용과 함께 피스톤이 복귀되는 것을 방지하고, 피스톤을 최소 이동 지점에 남아 있게 하며, 이러한 수축 동안, 예를 들어, 물의 액체로부터 고체 상태(얼음 III, 또는 얼음 V, 또는 얼음 VI)로의 상태 변화를 생성하고, 파이프 내 섭씨 -21 도의 물의 온도에서, 이를 초과하는 다른 매체의 온도에 의해 얼음 III의 융해로 열을 흡수하며, 동시에, 반대측 회로의 액체로부터 고체로의 변환으로 열을 방출하고, 일 방향 밸브 등은 물이 부분적으로 액체 위상일 때 물이 계속 팽창되는 것을 방지할 것이므로, 물이 피스톤을 변위시키지 않고 피스톤을 가압할 것이기 때문에, 포스 유닛 1의 도움으로, 융해/응고 곡선을 가로지르는 압력 증가를 유발할 것이고(얼음 Ih의 경우 압력 감소) 이것은 응고 프로세스를 시작시킨다. 이러한 프로세스를 시작할 때, 물은 부분적인 응고로 인해 볼륨을 감소시킬 것이고 (얼음 Ih의 경우, 물은 반대로 작용하여 볼륨이 증가될 것임), 이것은 피스톤의 변위 및 압력의 감소를 유발할 것이고, 이것은 차례로 다시 물이 다시 곡선 아래에 있도록 하고, 물이 완전히 또는 거의 완전히 고체 상태로 압축될 때까지 계속 프로세스가 다시 반복된다. 동일한 포스 유닛의 유압 펌프(32)는 피스톤이 팽창함에 따라 반대측 회로의 피스톤에 대한 가압 작용과 함께, 피스톤의 복귀를 가속시키기 위해 압력을 가할 것이며, 이러한 반대측 회로의 피스톤은 동시에 역 상태 변화 프로세스, 즉 고체로부터 액체로의 역 상태 변화프로세스를 수행할 것이다. 이러한 프로세스는 열적 및 기계적 열 전달 프로세스를 통해 수행된다. 이러한 프로세스 동안, 피스톤의 위치 및 각 회로 내의 각각의 이차 파이프의 파이프(8)에 각각 배치되는 두 개의 온도 센서 및 압력 센서에 관한 정보를 수신하는 제어 시스템은 파이프 내부 온도 및 외부 온도에 관한 정보를 획득한다. 제어 시스템의 기능은 포스 유닛 1을 통해 상태 변화를 제어하기 위한 것이며, 제어 시스템은 컴포넌트 및 보조 장비를 제어하며, 예를 들어, 제어 시스템은 통기 게이트(40)를 제어하여 차가운 공기 또는 열의 유동이 통기 덕트(31)를 통해 경우에 따라 특정 장소에 도입되거나 방출되도록 한다. 또한, 시스템이 정지할 때 최대 설계 압력을 초과하는 것을 피하기 위해, 제어 시스템은 압력을 방출하기 위해 릴리프 밸브 등을 활성화시킬 것이다.
그 압력에서 고체 상태(경우에 따라 얼음 II, 또는 얼음 III, 또는 얼음 V 또는 얼음 VI)에 있는 물은 액체 물보다 더 큰 밀도를 갖기 때문에, 고체 상태로부터 액체 상태로의 상태 변화가 일어날 될 때, 유체가 이러한 위상 변화에 있게 하는 압력에 따라 대략 2 내지 11 %의 볼륨 변화가 일어나고(얼음 Ih의 경우 밀도는 더 작음), 이러한 변화는 시스템이 흡수하는 것을 생성하고, 액체 또는 부분적 액체로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로의 변화가 일어날 때, 시스템은 이 경우 약 30,000 BTU/h를 흡수 또는 전달을 위한 열적 용량을 갖는 열을 전달한다.
이러한 프로세스는 필요에 따라 하루 내내 계속 반복된다. 제어 시스템은 희망하는 온도에 도달되도록 물의 초기 온도를 제어할 것이다. 물은 물이 응고될 때 열을 방출할 것이고, 물은 물이 융해될 때 열을 흡수할 것이다. 이러한 흡수되거나 전달되는 열은 모두 위에서 언급된 상태 변화를 생성할 것이다.
팬의 방향은 가열 모드 또는 냉각 모드로의 사용을 위해 역전될 것이다.
실시예 3:
스틸 파이프로 이루어지는 막힌 회로가 구성되며, 이 회로는 요구되는 온도에서 응고할 수 있도록 그리고, 이 경우 -21 ℃ 내지 30 ℃의 온도에서 동작하도록, 수학식 P(VI)의 결과로서 1115 Mpa의 설계 압력을 가질 것이고, 따라서, 이러한 경우 시스템 내의 압력은 210 내지 1050 Mpa 사이의 범위일 것이다. 회로는 0.5 mm의 내부 직경 및 1.5 mm의 두께 및 4 미터의 길이를 갖는 메인 파이프(12)로 구성된다. 메인 파이프의 단부 중 일 단부, 이하, 단부(19)에서, 1 mm의 내부 직경을 갖고, 4.26 mm의 두께 및 50 mm의 길이를 갖는 파이프(17)가 포스 유닛(10)의 부분이고 길이 482 mm 및 152 mm의 직경을 갖는 압력 증압기에 삽입되어 여기에 연결되며, 이곳에서, 교번적으로 양쪽 방향으로 이동하는, 그리고 상태 변화의 결과로서, 볼륨이 변화되는 유체의 교번적인 작용에 의해 변위되는 15.87 mm의 직경의 실린더를 갖는 피스톤(2)이 10 cm의 파이프를 통해 연결된다. 피스톤(2)은 또한 본 실시예에 대해 "포스 유닛 1"으로 불리는 포스 유닛(10)의 부분이고, 포스 유닛은 필요하면 충전 유체의 도입이 필 밸브를 통해 제어될 수 있게 하고, 릴리프 밸브 및 이 경우는 피스톤과 증압기 사이에 연결되는 전자적으로 일 방향으로 구동되는 밸브와 함께, 피스톤을 압축하여 상태 유체를 변경하는 포스 유닛 1의 부분인, 440 W의 파워를 갖는 유압 실린더 피스톤 등을 통해 압력을 제어하는 센서를 갖는다. 단부(20)로 불리는 단부로부터 0.1 미터에서, 본 실시예의 경우 단부(19)로부터 4 미터에 위치되는 상기 단부가 파이프를 통해 제어 시스템(11)에 연결되며, 제어 시스템은 두 개의 서모스탯, 압력 스위치, 각각 30 W인 두 개의 팬(30), 이하, "보조 장비"로 구성되며, 히터 및 쿨러는 필요하면 유체 온도를 증가 또는 감소시키는 기능을 수행하며, 압축 및 압축 해제의 도움과 함께 온도의 이러한 증가 또는 감소는 회로를 폐쇄한다.
메인 파이프(12)의 다른 단부에서, 본 실시예의 경우, 단부(19)로부터 4 미터인 곳에 위치된 단부(21)에서, 제1 파이프(13)가 연결되고, 이곳으로부터 파이프(22)가 출현하고, 이 경우 파이프는 매니폴드이고, 여기에서 제1 복수의 파이프(8), 이 경우 모세관 등이 연결된다. 매니폴드 파이프(22)는 1 mm의 내부 직경 및 4.26 mm의 두께와 10 센티미터의 길이를 갖는다. 모세관 파이프(8) 등은 0.5 mm의 내부 직경 및 1.5 mm의 두께를 갖고, 각각 100 센티미터의 길이 및 50 센티미터의 높이를 갖는 코일 또는 라디에이터를 형성하는 500 미터의 길이를 갖고, 또한 펠티어 셀 등에 연결된다. 이러한 매니폴드 파이프(22)에 연결된 파이프(8)는 1 mm의 내부 직경을 갖는 파이프(13)에 연결되고 4.26 mm의 두께 및 5 센티미터의 길이를 갖는다. 본 실시예에서, 전체 3개의 모세관 파이프가 파이프(22)에 연결되고, 이 모세관 파이프는 파이프(22)를 따라 서로 33 mm 이격되어 연결된다. 이 경우, 도 16에서 축 등에 연결되는 유압 실린더 피스톤으로 구성되는 포스 유닛 1은 양쪽 회로를 연결하고 있고, 또한, 모두 제어 시스템(11)에 연결되는 필 밸브 및 릴리프 밸브를 갖는 피스톤 이외에, 증압기 및 전자적으로 동작되는 일 방향 밸브 등으로 구성된다.
바람직하게 증류수, 이하, "물"이 도입되고, 이어서 포스 유닛 1의 유압 실린더 피스톤이 피스톤을 압축하고, 시스템으로부터 모든 공기를 제거하고 단지 물만을 남겨놓고, 파이프 플러그로 자유 단부를 폐쇄한다.
이어서, 유압 실린더 피스톤의 변위에 따라 후속하여 열을 방출하는 경우, 물은 30 ℃에서 가열되고 물이 액체 상태로 유지되며, 이어서 본 실시예 1의 회로 내에서, 유압 실린더 피스톤 1은 물을 112 Mpa에서 압축할 것이며, 1120 Mpa의 증압기의 유출 압력을 획득하고, 압축은 이러한 회로가 최대로 이동할 때 시작되고 물이 응고될 때까지 수행된다.
각각의 회로는 동일한 방식으로 작동된다.
열 전달의 열적 프로세스와 합동하여, 포스 유닛 1은 각각의 회로의 내부 압력을 변하게 하고 이에 따라 물의 상태 변화가 일어난다. 전술한 프로세스는 포스 유닛 1의 일 방향 밸브 등의 작용과 함께 피스톤이 복귀되는 것을 방지하고, 피스톤을 최소 이동 지점에 남아 있게 하며, 이러한 수축 동안 예를 들어 물의 액체로부터 고체 상태(얼음 III, 또는 얼음 V, 또는 얼음 VI)로의 상태 변화를 생성하고, 파이프 내 섭씨 -21 도의 물의 온도에서, 이를 초과하는 다른 매체의 온도에 의해 얼음 III의 융해로 열을 흡수하며, 동시에, 반대측 회로의 액체로부터 고체로의 변환으로 열을 방출하며, 일 방향 밸브 등은 물이 부분적으로 액체 위상일 때 물이 계속 팽창되는 것을 방지할 것이므로, 물이 피스톤을 변위시키지 않고 피스톤을 가압할 것이기 때문에, 포스 유닛 1의 도움으로, 융해/응고 곡선을 가로지르는 압력 증가를 유발시킬 것이고, 이것은 응고 프로세스를 시작시킬 것이다. 이러한 프로세스를 시작할 때, 물은 부분적인 응고로 인해 볼륨이 감소될 것이고, Ih 얼음의 경우, 물은 반대로 작용하여 볼륨이 증가될 것이고, 이것은 피스톤의 변위 및 압력의 감소를 유발할 것이고, 이것은 차례로 물이 곡선 아래로 복귀되게 하여 물이 완전히 또는 거의 완전히 고체 상태로 압축될 때까지 계속 프로세스를 반복할 것이다. 동일한 포스 유닛의 유압 실린더 피스톤은, 필요하면, 피스톤의 복귀를 가속시키기 위한 지원부의 역할을 할 것이다. 이러한 프로세스는 열적 및 기계적 열 전달 프로세스를 통해 수행된다. 이러한 프로세스 동안, 피스톤의 위치 및 각 회로 내의 각각의 이차 파이프의 모세관 파이프에 각각 배치되는 온도 및 압력 센서에 관한 정보를 수신하는 제어 시스템은 파이프 내부 온도 및 외부 온도에 관한 정보를 획득한다. 제어 시스템의 기능은 포스 유닛 1을 통해 상태 변화를 제어하는 것이며, 제어 시스템은 컴포넌트 및 보조 장비를 제어하며, 예를 들어, 제어 시스템은 통기 게이트(40)를 제어하여 차가운 공기 또는 열의 유동이 통기 덕트(31)를 통해 경우에 따라 특정 장소에 도입되거나 방출되도록 한다. 또한, 시스템이 정지할 때 최대 설계 압력을 초과하는 것을 피하기 위해, 제어 시스템은 압력을 방출하기 위해 릴리프 밸브 등을 활성화시킬 것이다.
그 압력에서 고체 상태(경우에 따라 얼음 II, 또는 얼음 III, 또는 얼음 V 또는 얼음 VI)에 있는 물은 액체 물보다 더 큰 밀도를 갖기 때문에, 고체 상태로부터 액체 상태로의 상태 변화가 일어날 때, 유체가 이 위상 변화에 있게 하는 압력에 따라 대략 2 내지 11 %의 볼륨 변화가 일어나고(얼음 Ih의 경우에는 반대일 것임), 이러한 변화는 시스템이 흡수하도록 하고, 액체 또는 부분적 액체로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로의 변화가 일어날 때, 시스템은 이 경우 약 30,000 BTU/h를 흡수 또는 전달을 위한 열적 용량을 갖는 열을 전달한다.
이러한 프로세스는 필요에 따라 하루 내내 계속 반복된다. 제어 시스템은 희망하는 온도에 도달되도록 물의 초기 온도를 제어할 것이다. 물은 물이 응고될 때 열을 방출할 것이고, 물은 물이 융해될 때 열을 흡수할 것이다. 이러한 흡수되거나 전달되는 열은 모두 위에서 언급된 상태 변화를 생성할 것이다.
댐퍼(40) 또는 팬의 방향은 가열 모드 또는 냉각 모드로의 사용을 위해 역전될 것이다.
실시예 4:
구리 파이프로 이루어지는 두 개의 막힌 회로가 구성되며, 이 회로는 1 Mpa의 설계 압력을 갖는 클라우시우스-클라페이론 방정식의 결과일 것이며, 이 경우, -40 ℃ 내지 30 ℃ 사이의 온도에서 작동할 것이고, 따라서, 이러한 경우 시스템 내의 압력은 1 파스칼 내지 1 Mpa 사이의 범위일 것이다. 회로는 9 mm의 내부 직경 및 0.3 mm의 두께 및 4 미터의 길이를 갖는 메인 파이프(12)로 구성된다. 메인 파이프의 단부 중 일 단부, 이하, 단부(19)에서, 9 mm의 내부 직경을 갖고, 0.3 mm의 두께 및 50 mm의 길이를 갖는 파이프(17)가 선형 증압기 펌프, 이하 "증압기"에 삽입되어 여기에 연결되며, 증압기는 길이 482 mm 및 152 mm의 직경의 포스 유닛(10)(도 17)의 부분이고, 그 내부에는 상태 변화의 결과로서, 볼륨이 변경되는 각각의 회로에서 유체의 교번적인 작용에 의해 변위되는, 양쪽 방향으로 교번적으로 이동될 실린더 피스톤(2)이 있다. 증압기 펌프는, 필요하면, 필 밸브를 통해 유입 유체가 제어될 수 있게 하는 센서를 가지며, 압력은 릴리프 밸브 및 이 경우 상태 유체를 변경하기 위해 피스톤을 압축하는 포스 유닛 1의 부분인, 선형 증압기 펌프의 다른 전형적인 요소 및 방향 제어 밸브와 함께 유압 펌프를 통해 제어된다. 단부(20)로 불리는 단부로부터 0.1 미터에서, 본 실시예의 경우 단부(19)로부터 4 미터에 위치되는 상기 단부가 파이프를 통해 제어 시스템(11)에 연결되며, 제어 시스템은 두 개의 서모스탯, 압력 스위치, 각각 30 W인 두 개의 팬(30), 이 경우 500 W의 파워를 갖는 펠티어 셀인 히터 및 쿨러, 이하, "보조 장비", 로 구성되며, 히터 및 쿨러는 필요하면 유체의 온도를 증가 또는 감소시키는 기능을 수행하며, 압축 및 압축 해제의 도움과 함께 온도의 이러한 증가 또는 감소는 사이클을 폐쇄한다.
메인 파이프(12)의 다른 단부에서, 본 실시예의 경우, 단부(19)로부터 4 미터인 곳에 위치된 단부(21)에서, 제1 파이프(13)가 연결되고, 이곳으로부터 파이프(22)가 출현하고, 이 경우 파이프는 매니폴드이고, 여기에서 제1 복수의 파이프(8), 이 경우 모세관 등이 연결된다. 매니폴드 파이프(22)는 9 mm의 내부 직경 및 0.3 mm의 두께 및 10 센티미터의 길이를 갖는다. 모세관 파이프(8) 등은 6 mm의 내부 직경 및 0.3 mm의 두께를 갖고, 각각 100 센티미터의 길이 및 50 센티미터의 높이의 코일 또는 라디에이터를 형성하는 500 미터의 길이이고, 또한 펠티어 셀 등에 연결된다. 파이프(8)는 이러한 매니폴드 파이프(22)에 연결되고, 매니폴드 파이프는 9 mm의 내부 직경 및 0.3 mm의 두께 및 35 센티미터의 길이를 갖는 파이프(13)에 연결된다. 본 실시예에서, 전체 6 개의 모세관 파이프가 파이프(22)에 연결되고, 모세관 파이프는 파이프(22)를 따라 서로 50 mm 이격되어 연결된다. 이러한 경우, 제어 시스템(11)에 연결되는 포스 유닛 1은 양쪽 회로를 연결할 것이다.
바람직하게는 증류수, 이하, "물"이 도입되고, 이어서 포스 유닛 1이 시스템을 압축하고, 시스템으로부터 모든 공기를 제거하고 단지 물만을 남겨놓고, 파이프 플러그로 자유 단부를 폐쇄한다.
이어서, 양쪽 회로를 통해 물을 제거하는 증압기는 양쪽 회로의 압력을 1 파스칼로 감소시켜 물을 액체로부터 기체 상태로 변환시킬 것이며, 이어서 열을 흡수하는 경우에, 물은 -25 ℃에서 냉각되어 기체 상태로 유지할 것이며, 이어서 증압기 피스톤은 회로, 본 실시예에서, 회로 1 내부에서 압력을 증가시키기 위해, 즉 상태 변화를 생성하기 위해, 회로의 물에서 흡입을 서서히 감소시킬 것이며, 흡입은 이 회로가 최소로 이동되어 있을 때 시작하여 물이 기체가 될 때까지 수행된다. 이것이 발생되는 동안, 반대측 회로(회로 2)의 피스톤은 최대 스트로크에 위치될 것이며, 이것이 발생되는 동안, 이 회로 2의 필 밸브 등은 이 회로 2 내로 물을 끌어들이기 위해 개방될 것이며, 이어서 포스 유닛의 유압 실린더 피스톤은 챔버를 압축 해제시킬 것이고, 회로 2 내의 물이 기체로 될 때까지 증압기로 압력을 감소시킨다.
각각의 회로는 동일한 방식으로 작동된다.
열 전달의 열적 프로세스와 합동하여, 포스 유닛 1은 각각의 회로의 내부 압력을 변화시키고, 이에 따라 물의 상태 변화가 일어난다. 전술한 프로세스는 포스 유닛 1의 컴포넌트의 작용과 함께 피스톤이 복귀되는 것을 방지하고, 피스톤을 최소 이동 지점에 남아 있게 하며, 이러한 수축 동안 예를 들어, 물의 액체로부터 기체 상태로의 상태 변화를 생성하고, 섭씨 -21 도의 파이프 내 물의 온도에서, 이를 초과하는 다른 매체의 온도에 의해 액체 물로부터 증기 또는 기체로의 변환으로 열을 흡수하고, 동시에, 반대측 회로 내에서 증발된 물의 액체로의 변환으로 열을 방출하며, 일 방향 밸브 등이 물이 부분적으로 기체 위상일 때 물이 계속 팽창되는 것을 방지할 것이라는 사실로 인해, 물이 피스톤을 변위시키지 않고 피스톤을 가압할 것이기 때문에, 포스 유닛 1의 도움으로, 증발 곡선을 가로지르는 압력 감소를 유발하고 액체로의 상태 변화의 프로세스를 시작한다. 이러한 프로세스를 시작할 때, 물은 볼륨이 감소될 것이고, 이것은 피스톤의 변위를 유발할 것이다. 수축하는 회로에 의해 유발되는 흡입은 다른 회로 흡입하는 피스톤을 위한 지원부로서 역할을 할 것이며, 반면에 이러한 다른 회로는 동시에 역 상태 변화 프로세스, 즉 액체로부터 기체로의 역 상태 변화 프로세스를 수행할 것이다. 이러한 프로세스는 열적 및 기계적 열 전달 프로세스를 통해 수행된다. 이러한 프로세스 동안, 피스톤의 위치 및 각 회로 내의 각각의 이차 파이프의 파이프에 각각 배치되는 두 개의 온도 및 압력 센서에 관한 정보를 수신하는 제어 시스템은 파이프 내부 온도 및 외부 온도에 관한 정보를 획득한다. 제어 시스템의 기능은 포스 유닛 1을 통해 상태 변경을 제어하기 위한 것이며, 제어 시스템은 컴포넌트 및 보조 장비를 제어하며, 예를 들어, 제어 시스템은 통기 게이트(40)를 제어하여 차가운 공기 또는 열의 유동이 통기 덕트(31)를 통해 경우에 따라 특정 장소에 도입되거나 방출되도록 한다. 또한, 시스템이 정지할 때 시스템이 작동하는 것을 방지하기 위해, 제어 시스템은 압력을 증가시키기 위해 필 밸브 등을 활성화시킬 것이다
그 압력에서 액체 상태의 물은 기체 상태의 물보다 더 높은 밀도를 갖기 때문에, 액체로부터 기체 상태로의 상태 변화가 발생될 때, 볼륨의 변화가 발생되며, 이러한 변화는 시스템이 흡수하게 하며, 기체 또는 부분적 기체 상태로부터 액체 또는 부분적 액체 상태로의 상태 변경이 발생될 때, 시스템은 이 경우 약 15,000 BTU/h를 흡수 또는 전달하기 위한 열적 용량을 갖는 열을 전달한다.
이러한 프로세스는 필요에 따라 하루 내내 계속 반복된다. 제어 시스템은 희망하는 온도에 도달되도록 물의 초기 온도를 제어할 것이다. 물은 물이 액체로 바뀔 때 열을 방출할 것이고, 물은 물이 기화될 때 열을 흡수할 것이다. 이러한 흡수되거나 전달되는 열은 모는 위에서 언급된 상태 변화를 생성할 것이다.
댐퍼(40) 또는 팬의 방향은 가열 모드 또는 냉각 모드로의 사용을 위해 역전될 것이다.
실시예 5:
스틸 파이프로 제조된 두 개의 막힌 회로가 구성되며, 이 회로는 800 Mpa의 설계 압력을 갖는 클라우시우스-클라페이론 방정식의 결과일 것이며, 이 경우 -20 ℃ 내지 31 ℃ 사이의 온도에서 작동할 것이고, 따라서, 이러한 경우 시스템 내의 압력은 200 내지 750 Mpa 사이의 범위일 것이다. 회로는 0.5 mm의 내부 직경 및 1.5 mm의 두께와 4 미터의 길이를 갖는 메인 파이프(12)로 구성된다. 메인 파이프의 단부 중 일 단부, 이하, 단부(19)에서, 1 mm의 내부 직경을 갖고, 4.26 mm의 두께 및 50 mm의 길이를 갖는 파이프(17)가, 10 cm의 파이프를 통해 연결되는, 포스 유닛(10)의 부분이고, 길이 482 mm 및 152 mm의 직경을 갖는 압력 증압기에 삽입되어 연결되고, 상태 변화의 결과로서, 볼륨이 변하는 유체의 교번적인 작용에 의해 변위되는, 교번적으로 양쪽 방향으로 이동될 15.87 mm의 직경을 갖는 피스톤(2) 실린더가 있다. 피스톤(2)은 또한 본 실시예에서 "포스 유닛 1"으로 부르는 포스 유닛의 부분이고, 포스 유닛은, 필요하면, 필 밸브를 통해 충전 유체의 도입이 제어될 수 있게 하고, 릴리프 밸브를 통해 압력을 제어하는 센서를 가지며, 이 경우에 포스 유닛 1으로부터 유압 실린더 피스톤은 피스톤과 증압기 사이에 연결되는 전자적으로 일 방향으로 구동되는 밸브와 함께, 상태 유체를 변경하기 위해 피스톤을 압축하는 것을 포스 유닛 1로부터 시작한다. 단부, 즉, 단부(20)로부터 0.1 미터에서, 본 실시예의 경우 단부(19)로부터 4 미터에 위치된 상기 단부가 파이프를 통해 제어 시스템(11)에 연결되며, 제어 시스템은 두 개의 서모스탯, 압력 스위치, 두 개의 팬(30), 이 경우 500 W의 파워를 갖는 펠티어 셀인 히터 및 쿨러, 이하 "보조 장비", 로 구성되며, 히터 및 쿨러는 필요하면 유체의 온도를 증가 또는 감소시키는 기능을 수행하며, 압축 및 압축 해제의 도움과 함께 온도의 이러한 증가 또는 감소는 사이클을 폐쇄한다.
메인 파이프(12)의 다른 단부에서, 본 실시예의 경우, 단부(19)로부터 4 미터인 곳에 위치된 단부(21)에서, 제1 파이프(13)가 연결되고, 이곳으로부터 파이프(22)가 출현하고, 이 경우 파이프는 매니폴드이고, 여기에서 제1 복수의 파이프(8), 이 경우 모세관 등이 연결된다. 매니폴드 파이프(22)는 1 mm 의 내부 직경 및 4.26 mm의 두께 및 10 센티미터의 길이를 갖는다. 모세관 파이프(8) 등은 0.5 mm의 내부 직경 및 1.5 mm의 두께를 갖고, 각각 100 센티미터의 길이 및 50 센티미터의 높이의 코일 또는 라디에이터를 형성하는 500 미터의 길이고, 또한 펠티어 셀 등에 연결된다. 파이프(8)는 이러한 매니폴드 파이프(22)에 연결되고, 매니폴드 파이프는 1 mm의 내부 직경 및 4.26 mm의 두께와 5 센티미터의 길이를 갖는 파이프(13)에 연결된다. 본 실시예에서, 전체 3개의 모세관 파이프가 파이프(22)에 연결되고, 모세관 파이프는 파이프(22)를 따라 서로 33 mm 이격되어 연결된다. 이러한 경우, 포스 유닛 1은 축에 연결되는 두 개의 유압 실린더 피스톤 및 양쪽 회로를 연결하는 두 개의 커넥팅 로드 등(도 15)으로, 또한, 모두 제어 시스템(11)에 연결되는 두 개의 필 밸브 및 두 개의 릴리프 밸브를 갖는 두 개의 피스톤 이외에, 두 개의 압력 증압기 및 두 개의 전자적으로 구동되는 일 방향 밸브 등으로 구성된다.
CO2가 도입되고, 그런 다음 포스 유닛 1의 유압 실린더 피스톤이 피스톤을 압축하고, 시스템으로부터 모든 공기를 제거하고 단지 CO2만을 남겨놓고, 파이프 플러그로 자유 단부를 폐쇄한다.
이어서, 유압 실린더 피스톤의 변위에 따라, 양쪽 회로 내의 압력은 20.8 Mpa로 증가될 것이고, 압력 증압기의 작동으로 인해, 회로의 압력은 200 Mpa에 도달될 것이며(증압기는 1: 10의 비율을 가짐), 이어서, 열을 흡수하는 경우 CO2는 -21 ℃에서 냉각되어 CO2를 액체 상태로 유지시킬 것이며, 이어서 본 실시예 회로 1의 회로 내에서, 유압 실린더 피스톤 1은 CO2를 22 Mpa에서 압축하여, 220 Mpa의 증압기의 유출 압력을 획득할 것이며, 압축은 이러한 회로가 최대로 이동할 때 시작되고 CO2가 응고될 때까지 수행된다. 이것이 발생되는 동안, 반대측 회로(회로 2)의 피스톤은 최대 스트로크에 위치될 것이며, 이것이 발생되는 동안, 이 회로 2의 필 밸브 등은 이 회로 2 안으로 CO2를 넣기 위해 개방될 것이며, 이어서, 이러한 회로 2의 유압 실린더 피스톤은 피스톤 2를 압축할 것이고, 회로 2에서 CO2가 응고될 때까지 압력 증압기로 압력을 증가시킨다.
각각의 회로는 동일한 방식으로 작동된다.
열 전달의 열적 프로세스와 합동하여, 포스 유닛 1은 각각의 회로의 내부 압력을 변화시키고, 이에 따라 CO2의 상태 변화가 일어난다. 전술한 프로세스는 포스 유닛 1의 일 방향 밸브 등의 작용과 함께 피스톤이 복귀되는 것을 방지하고, 피스톤을 최소 이동 지점에 남아 있게 하며, 이러한 수축 동안 예를 들어 CO2의 액체 상태로부터 고체 상태로의 상태 변화를 생성하며, 파이프 내 섭씨 -21 도의 CO2의 온도 및 이를 초과하는 다른 매체의 온도에서 CO2의 융해로 열을 흡수하며, 동시에, 반대측 회로의 액체 CO2로부터 고체로의 변환으로 열을 방출하고, 일 방향 밸브 등은 CO2가 부분적으로 액체 위상일 때 CO2가 계속 팽창되는 것을 방지할 것이므로, CO2가 피스톤을 변위시키지 않고 피스톤을 가압할 것이기 때문에, 포스 유닛 1의 도움으로, 융해/응고 곡선을 가로지르는 압력 증가를 유발할 것이고 응고 프로세스를 시작시킬 것이다. 이러한 프로세스를 시작할 때, CO2는 부분적인 응고로 인해 볼륨이 감소될 것이고, 이것은 피스톤의 변위 및 압력의 감소를 유발할 것이고, 이것은 차례로 CO2가 곡선 아래로 복귀되게 하여 CO2가 완전히 또는 거의 완전히 고체 상태로 압축될 때까지 계속 프로세스를 반복할 것이다. 동일한 포스 유닛의 유압 펌프(32)는, 필요하면, 피스톤이 팽창함에 따라 반대측 회로의 피스톤에 대한 가압 작용과 함께, 피스톤의 복귀를 가속하기 위한 지원부로서 역할을 할 것이며, 반면에 이러한 반대측 회로의 피스톤은 동시에 역 상태 변화 프로세스, 즉 고체로부터 액체로의 역 상태 변화프로세스를 수행할 것이다. 이러한 프로세스는 열 전달 프로세스를 통해 수행된다. 이러한 프로세스 동안, 피스톤의 위치 및 각 회로 내의 각각의 이차 파이프의 모세관 파이프에 각각 하나씩 배치되는 두 개의 온도 및 압력 센서에 관한 정보를 수신하는 제어 시스템은 파이프 내부 온도 및 외부 온도에 관한 정보를 획득한다. 제어 시스템의 기능은 포스 유닛 1을 통해 상태 변화를 제어하기 위한 것이며, 제어 시스템은 컴포넌트 및 보조적인 장비를 제어하며, 예를 들어, 제어 시스템은 통기 게이트(40)를 제어하여 냉각된 또는 가열된 공기의 유동이 통기 덕트(31)를 통해 경우에 따라 특정 장소에 도입되거나 방출되도록 한다. 또한, 시스템이 정지할 때 최대 설계 압력을 초과하는 것을 피하기 위해, 제어 시스템은 압력을 방출하기 위해 릴리프 밸브 등을 활성화시킬 것이다.
그 압력에서 고체 상태의 CO2는 액체 상태의 CO2보다 더 높은 밀도를 갖기 때문에, 고체 상태로부터 액체 상태로의 상태 변화가 발생될 때, CO2가 그 위상 변화에서 밝혀질 압력에 따라 볼륨 변화가 일어나고, 이러한 변화는 시스템이 흡수하게 하며, 액체 또는 부분적 액체 상태로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로의 상태 변화가 일어나면, 시스템은 열을 방출한다. 이 경우에, 장비는 20,000 BTU/h를 흡수하거나 방출하기 위한 열적 용량을 갖는다.
이러한 프로세스는 필요에 따라 하루 내내 계속 반복된다. 제어 시스템은 희망하는 온도에 도달되도록 CO2의 초기 온도를 제어할 것이다. CO2는 CO2가 응고될 때 열을 방출할 것이고 CO2가 융해될 때 열을 흡수할 것이다. 이러한 흡수되거나 전달되는 열은 모두 위에서 언급한 상태 변화를 생성할 것이다.
댐퍼(40) 또는 팬의 방향은 가열 모드 또는 냉각 모드로의 사용을 위해 역전될 것이다.
실시예 6:
스틸 파이프로 이루어진 4개의 막힌 회로가 구성되며(도 23 및 도 12), 이 회로는 150 Mpa의 설계 압력을 갖는 클라우시우스-클라페이론 방정식의 결과일 것이며, 요구되는 온도에서 응고를 달성하기 위해, 이 경우 작동 온도는 15 ℃ 내지 38 ℃ 사이의 온도로 작동하도록 구성될 것이고, 따라서, 이 실시예의 시스템 내의 압력은 0.001 파스칼 내지 150 Mpa 사이의 범위일 것이다. 각각의 회로는 3.5 mm의 내부 직경 및 1.7 mm의 두께 및 회로 1 및 회로 2에 대해, 2 미터의 길이, 및 회로 3 및 회로 4에 대해 3 미터의 길이를 갖는 스테인레스 스틸의 메인 파이프(12)로 구성된다. 메인 파이프의 단부 중 각각의 단부, 이하 단부(19)에서, 3.5 mm의 내부 직경을 갖고, 1.7 mm의 두께 및 100 mm의 길이를 갖는 파이프(17)가 회로 1 및 회로 2의 파이프(12) 각각의 안으로 삽입되고, 선형 증압기 펌프(도 11), 이하 "증압기"의 각 측에 각각의 회로를 연결할 것이고, 증압기는 포스 유닛(10)(도 17)으로 불리는 압축기 또는 펌프 유닛의 부분이고, 길이 482 mm 및 152 mm의 직경을 갖고, 그 내부에는 상태 변화의 결과로서, 회로에서 볼륨이 변하는 유체의 교번적인 작용에 의해 변위되는, 교번적으로 양쪽 방향으로 이동될 실린더 피스톤(2)이 있다. 증압기 펌프는, 필요하면, 필 밸브(33)를 통해 충전 유체의 도입을 제어할 수 있게 하고, 릴리프 밸브 및 이 경우 유압 펌프(32)를 통해 방향 제어 밸브(29) 및 포스 유닛 1의 부분인 선형 증압기 펌프(1)(도 17)를 동작시키기 위한 다른 전형적인 요소와 함께, 압력을 제어하는 센서를 가지며, 선형 증압기 펌프는 유체의 상태를 변경하기 위해 피스톤을 압축하는 500 W의 파워를 갖는다. 단부(20)(도 10)로 불리는 단부로부터 0.1 미터에서, 본 실시예의 경우 단부(19)로부터 1 미터에 위치되는 상기 단부가 제어 시스템(11)에 연결되며, 또한, 제어 시스템은 4개의 서모스탯, 4개의 압력 스위치, 각각 30 W인 4개의 팬(30), 이하 "보조 장비", 로 구성된다.
회로 1의 메인 파이프(12)의 단부에서, 본 실시예의 경우, 단부(19)로부터 2 미터인 곳에 위치된 단부(21)에서, 3.5 mm의 내부 직경, 1.7 mm의 두께 및 100 cm의 길이를 갖는 제1 파이프(13)가 연결되고, 이곳으로부터, 이 경우 매니폴드인 파이프(22)가 출현하고(도 12), 여기에서 제1 복수의 파이프(8) 등이 연결된다. 매니폴드 파이프(22)는 3.5 mm 의 내부 직경 및 1.7 mm의 두께와 100 센티미터의 길이를 갖는다. 파이프(8) 등은 2.8 mm의 내부 직경 및 1.4 mm의 두께를 가지며, 이 경우 전체 500 미터의 길이를 갖는 100 미터의 다섯 개의 파이프가 100 센티미터 길이 x 100 센티미터 높이의 코일을 형성하고, 이 코일에는 핀 사이의 간격이 3 mm이고외부 반경이 14 mm인 원형 알루미늄 핀이 연결된다. 파이프(8)는 매니폴드 파이프(22)에 연결되며, 매니폴드 파이프는 파이프(13)에 연결되며, 차례로 메인 파이프(12)에 연결된다.
본 실시예의 경우, 단부(19)로부터 2 미터인 곳에 위치되는, 회로 2의 메인 파이프(12)의 다른 단부에서, 3.5 mm의 내부 직경, 1.7 mm의 두께 및 100 cm의 길이를 갖는 제1 파이프(15)가 연결되고, 이곳으로부터, 이 경우 매니폴드인 파이프(22)가 출현하고, 여기에서 제1 복수의 파이프(8) 등이 연결된다. 매니폴드 파이프(22)는 3.5 mm 의 내부 직경 및 1.7 mm의 두께 및 100 센티미터의 길이를 갖는다. 파이프(8) 등은 2.8 mm의 내부 직경 및 1.4 mm의 두께를 가지며, 이 경우 전체 500 미터의 길이를 갖는 100 미터의 다섯 개의 파이프가 100 센티미터 길이 x 100 센티미터 높이의 코일을 형성하며, 이 코일에는 핀 사이의 간격이 3 mm이고 외부 반경이 14 mm인 원형 알루미늄 핀이 연결된다. 파이프(8)는 매니폴드 파이프(22)에 연결되며, 매니폴드 파이프는 파이프(15)에 연결된다.
이 경우(도 23), 포스 유닛 1은 회로 1 및 회로 2에 연결될 것이며, 모든 회로의 압력을 자동적으로 제어하기 위해 동일한 유닛을 사용하지 않는 경우, 포스 유닛 1과 동일한 치수 및 250 W의 파워를 갖고, 파이프(22 및 8)를 제외하고, 포스 유닛 1에 연결되는 파이프와 동일한 치수의 파이프를 갖는 "포스 유닛 2"으로 불리는 포스 유닛이 있을 것이며, 포스 유닛은 3.5 mm의 내부 직경을 갖고, 1.7 mm의 두께를 갖는, 파이프(8) 등을 갖는 회로 3 및 회로 4에 연결될 것이며, 두 포스 유닛 모두는 제어 유닛(11)에 의해 연결되어 제어될 것이다.
본 실시예에서, 전체 5개의 파이프(8)가 파이프(22)를 따라 서로 96 mm 이격되어 연결된 회로 1, 회로 2, 회로 3 및 회로 4의 파이프(22) 각각에 연결된다.
포스 유닛 2의 파이프(8), 이 경우, 다섯 개의 50 미터 파이프는 각 회로(회로 3 및 회로 4)마다 전체 250 미터의 길이를 갖고, 각 회로는 100 센티미터의 길이 및 50 센티미터의 높이를 갖는, 열 교환기에 삽입되는 코일을 형성하고, 이러한 코일에는 핀 사이의 간격이 3 mm이고 반경이 14 mm인 원형 알루미늄 핀이 연결되고, 하나는 회로 3을 연결하고 다른 하나는 회로 4를 연결하는, 3.5 mm의 내부 직경, 1.7 mm의 두께 및 50 센티미터의 길이를 갖는, 파이프(8)가 매니폴드 파이프(22)에 연결된다. 이러한 회로 1, 회로 2, 회로 3 및 회로 4 각각은 캐스케이드 시스템을 도시하는 도 23에서와 같은 시스템을 형성하는 열 교환기(34) 내부에 위치된다.
상 변화 물질("PCM"), 이 경우 대기압에서 28 ℃의 온도에서 응고되도록 설계된 PCM, 이하 "PCM 1" 이라 불리는 유기 또는 무기 유체가 회로1 및 회로 2 내로 도입되고, 이것이 회로 3 및 회로 4 내로 도입된다. 상 변화 물질이라 불리는 유기 또는 무기 유체, 이하 "PCM 2"는, 이 경우 대기압에서 18℃의 응고 온도를 가지며, 이어서 포스 유닛 1 및 포스 유닛 2은 양쪽 시스템을 압축하고, 이로부터 모든 공기를 제거하고, 단지 PCM1 및 PCM2만을 남겨놓으며, 파이프 플러그로 자유 단부를 폐쇄한다.
이어서, 냉각을 위한 장비를 사용하고 주변 온도가 33 ℃인 경우, 포스 유닛 1 및 포스 유닛 2의 도움으로, 회로 1 및 회로 3 내의 압력은 100 Mpa로 증가될 것이며, 이 때, 최대 설계 압력은, 교환기를 통과하는 온도가 최대 설계 온도가 아니기 때문에, 요구되지 않으며, 따라서, 상태 변화를 유발하기 위한 최대 설계 압력의 도달은 필요하지 않으며, 상기 압축은 이 회로가 피스톤의 최대 스트로크, 또는 액체 상태로 회로 1 및 회로 3에 액체 상태로 저장된 PCM의 최대 볼륨을 충족시킬 때 시작되며, 그런 다음, 각각의 포스 유닛은, 이 경우, 선형 펌프 내에 삽입된 피스톤을 통해, PCM을 응고될 때가지 압축할 것인데, 왜냐하면 압력이 증가함에 따라, PCM 응고 곡선에 도달되고, PCM 온도는 항상 이것이 대기압 하에서 응고되는 온도를 초과하기 때문으로, 그 이유는 PCM 온도가 대기압에서의 응고 온도보다 더 낮으면 이것은 응고되고 상태 변화는 수행되지 않을 것이기 때문이며, 따라서, PCM이 대기압에서 그의 응고보다 더 낮은 온도에 있을 때, 음의 압력이 가해지거나 또는 회로 내부 압력이 대기압보다 더 낮은 압력으로 감소되며, 이것은 상태의 변화를 생성한다. 열 전달은 본 실시예에서 17, 16, 15 ℃의 온도 또는 더 낮은 온도에서 발생될 수 있다. 이것이 반대측 회로(회로 2 및 회로 4)에 대해 발생되는 동안, 각각의 포스 유닛의 동일한 피스톤은 이 회로 2 및 회로 4의 PCM 볼륨을 증가시킬 것이며 (이것은 단지 제1 위상에서 발생함), 이 회로의 필 밸브 또는 유사물은 회로 2 및 회로 4에 PCM이 들어가도록 하기 위해 개방될 것이므로, 이어서, 각각의 포스 유닛의 유압 실린더 피스톤은 회로 2 및 회로 4를 압축하여, 제2 및 제 4 회로의 PCM이 응고될 때까지 압력을 증가시킬 것이다.
회로 2 및 회로 4 내의 PCM이 응고함에 따라, 회로 1 및 회로 3 내의 PCM은 융해될 것이며, 그 반대로도 가능하다.
각각의 회로는 동일한 방식으로 작동된다.
열 전달의 열적 프로세스와 합동하여, 포스 유닛 1 및 포스 유닛 2는 각각의 회로의 내부 압력을 변동시키고, 이에 따라 PCM의 상태 변화가 일어난다. 전술한 프로세스는 포스 유닛 1 및 포스 유닛 2의 컴포넌트의 작용과 함께 피스톤이 복귀하는 것을 방지하고, 피스톤을 최소 이동 지점에 남아 있게 하며, 이러한 수축, 압축 또는 압력의 증가 동안, PCM의 액체로부터 고체 상태로의 상태 변화를 생성하고, 압축 해제 또는 압력의 감소 동안, 고체로부터 액체로의 상태 변화를 생성하며, 예를 들어, 회로 1 및 회로 3의 파이프 내의 PCM의 융해(고체로부터 액체로)로 열을 흡수하며, 동시에, 반대측 회로 2 및 회로 4의 액체로부터 고체로의 변환으로 열을 방출한다. 예로서, 모터(28), 이 경우, 각각의 포스 유닛의 전기 모터와 함께 유압 펌프(32)는 회로 1 및 회로 3의 압력을 다시 증가시키기 위해 각각의 피스톤(27)에 필요한 힘을 가하고, 피스톤이 팽창하거나, 가압하거나, 균형을 이룰 때, 반대측 회로의 피스톤(2)에 가하는 가압 작용과 함께 PCM을 액체로부터 고체로 변환시킬 것이며, 이것은 포스 유닛 모터가 더 낮은 강도로 작동하는데 크게 도움을 줄 것인데, 왜냐하면 반대측 시스템에는 일반적으로 기본 압력이 있을 것이기 때문이며, 이것은 PCM을 융해하기 위해 대기압에 도달할 필요가 없으므로, 따라서 이것은 요구되는 응고 압력과 대기압 사이의 압력 차이보다 더 작을 압력 차이로 항상 작동할 것이고, 열 교환기를 통과하는 온도가 대기압에서 PCM의 융해/응고 온도보다 더 낮은 경우, 대기압보다 더 낮은 압력이 사용될 것이며, 그러므로 힘의 방향은 역전될 것이며, 따라서, 각각의 회로는 피스톤을 흡입할 것이고, 이것이 일어나기 때문에, 시스템은 필 밸브(33) 등에 의해 유체, 이 경우 PCM의 백분율을 자동으로 끌어 올려, 시스템이 평형 상태가 될 때 또는 피스톤이 선형 증압기 펌프의 중심에 있을 때, 두 회로 모두 대기압보다 더 낮은 압력에 있도록 하며, 이에 따라 달성되는 것은 융해/응고의 온도가 열 교환기(회로)를 통과하는 공기 또는 액체의 온도보다 더 낮은 온도로 대체되는 것이며, 이것으로 시스템은 교번적으로 압력 차이를 가할 수 있으며, 반면에 반대측 회로 2 및 회로 4는, 동시에, 역 상태 변화 프로세스, 즉 고체로부터 액체로의 역 상태 변화 프로세스를 수행한다. 이러한 프로세스는 열적 및 기계적 열 전달 프로세스를 통해 수행된다. 이러한 프로세스 동안, 피스톤의 위치 및 각 회로 내의 각각의 이차 파이프(8)의 파이프에 각각 배치되는 4개의 온도 및 압력 센서에 관한 정보를 수신하는 제어 시스템은 파이프 내부 온도 및 외부 온도에 관한 정보를 획득한다. 제어 시스템의 기능은 포스 유닛 1 및 포스 유닛 2를 통해 상태 변화를 제어하기 위한 것이며, 컴포넌트 및 보조 장비를 제어하기 위해, 예를 들어, 제어 시스템은 통풍 게이트(40)(본 실시예에서 도 23에 도시된 바와 같이 위치됨)를 제어하여, 냉각 모드의 경우, 회로 1 및 회로 2의 열 교환기를 떠나는 고온 공기의 유동이 방출되도록 하고, 회로 1 및 회로 2의 열 교환기를 떠나는 차가운 공기의 유동이 회로 3 및 회로 4의 열 교환기를 통과하도록 하며, 이어서, 이 경우, 제2 게이트가 통기 덕트(31)를 통해 회로 3 및 회로 4로부터 나오는 차가운 공기를 도입하고, 회로 3 및 회로 4로부터 오는 고온 공기를 경우에 따라 특정 장소로 배출시키도록 한다. 또한, 시스템이 정지할 때 최대 설계 압력을 초과하는 것을 피하기 위해, 제어 시스템은 회로 각각에서 압력을 방출하기 위해 릴리프 밸브 등을 활성화시킬 것이다.
이 경우, 그 압력에서 고체 상태의 PCM은 액체 PCM(이것은 또한 부분적 고체인 PCM, 예를 들어, 겔인 경우일 수 있음)보다 더 높은 밀도를 가지며, 고체로부터 액체 상태로의 상태 변화가 일어날 때, PCM이 그러한 위상 변화에 있게 될 압력에 따라, 그리고 PCM의 타입에 따라, 이 경우 대략 3 내지 5 %의 볼륨 변화가 일어나고, 이러한 변화는 시스템이 흡수하게 만들며, 액체 또는 부분적 액체 상태로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로의 상태 변화가 일어날 때, 시스템은, 이 경우 약 31,000 BTU/h의 흡수 또는 방출을 위한 열적 용량을 갖고, 온도가 PCM의 상태 변화 온도에 가까울 때, 높은 압축 압력 부하에서 12라는 COP를 생성하고 낮은 압력 부하에서 45라는 COP에 도달될 수 있는, 열을 방출하는데, 이것은, 냉각의 경우 회로 1 및 회로 2에 의해 이미 냉각된 공기를 가열하고 외부로 배출하는 회로 3 또는 회로 4가 있으므로, 회로 1 및 회로 2에 의해 흡수되는 에너지의 일부가 회로 3 및 회로 4를 통과할 때 손실되기 때문이다.
선택적으로, 장비 또는 시스템의 입력과 출력 사이의 더 큰 온도 차를 획득하기 위해, 50 % 이상의 냉각 또는 난방 능력을 획득하되, 대략 30 % 더 낮은 성능 계수("COP")(전달되거나 흡수된 에너지를 소비로 나눈 값)를 획득하기 위해, 각각의 포스 유닛을 갖는 회로 1 및 회로 2가 사용되어 회로 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 및 8이라 불리는 4배(4개 디바이스)를 복제하고, 두 개의 디바이스를 각각 갖는 두개의 라인에 배치하며, 이에 따라, 공기 또는 액체가 디바이스 1 및 디바이스 2(회로 1 내지 회로 4)를 통과할 때, 교번적으로 이들 회로의 절반은 열을 방출하고 절반은 열을 흡수하며, 이렇게 전달되거나 흡수되는 열은 냉각 또는 가열이 요구되는지에 따라, 2개 디바이스(회로 5 내지 회로 8)의 제2 라인의 1 개 디바이스(이 경우, 회로 5 및 회로 6)만을 통과하고, 라인 2의 제2 디바이스를 정지 상태로 남겨 놓을 것인데, 이것은 통과할 유동 또는 스트림이 디바이스 1 및 디바이스 2를 통해 지나가는 초기 유동의 절반이기 때문이다. 결과로서, 두 배의 온도 차이가 있으며(캐스케이드 시스템), 4개 디바이스를 갖는 것 이외에, 대기압에서 유체, 이 경우 PCM의 융해/응고의 온도가 디바이스의 라인 1에서 더 높고 라인 2에서 더 낮다고 가정하면, 캐스케이드 시스템은 반대로 사용될 수 있고 따라서 가열할 수 있다. 가열 또는 가열 모드에서 사용될 때, 라인 2의 두 개의 디바이스는 활성화되고, 라인 1의 하나의 디바이스는 정지될 것이다. 대기압에서 유체, 이 경우 라인 1의 PCM의 온도 변화 상태가 라인 2의 PCM보다 적은 경우 반대 방향의 유동을 갖고, 가열 모드에 남아 있는다(유동은 먼저 라인 1 및 다음으로 라인 2를 통과한다). 또한, 사용될 포스 유닛의 개수에서 더 효율적이기 위해, 더 적은 개수의 포스 유닛이 각각의 회로의 압력을 제어할 수 있는 제어 시스템과 함께 사용될 수 있다. 사이즈는 공기 조화의 필요성에 따라 달라질 수 있다.
이러한 프로세스는 필요에 따라 하루 내내 계속 반복된다. 제어 시스템은 희망하는 온도에 도달되도록 PCM의 초기 압력 및 팬의 속도를 제어할 것이다. PCM은 PCM이 응고될 때 열을 방출할 것이고, PCM이 융해될 때 열을 흡수할 것이다. 이렇게 흡수되거나 전달된 모든 열은 압력 변화의 결과로서 위에서 언급된 상태 변화를 생성할 것이다.
팬 및 통기 게이트(40)의 방향은 가열 모드 또는 냉각 모드에서 사용되기 위해 역전될 것이며, 가열의 경우에, 공기는 회로 3 및 회로 4를 먼저 통과할 것이고, 다음으로 가열된 공기는 회로 1 및 회로 2를 통과할 것이다.
이러한 시스템은 공기를 냉각시키거나 가열하기 위해 사용될 수 있고, 또한 물 펌프 용도로 팬을 변경하는 경우, 물 또는 다른 액체를 냉각하거나 가열할 수 있다.
단지 회로 1 및 회로 2 또는 단지 회로 3 및 회로 4는 이러한 큰 온도 변화가 요구되지 않는 경우에 사용될 것이다. 두 개의 포스 유닛이 본 실시예에서 언급된 바와 같이 사용될 수 있거나, 또는 압축시 회로 1 및 회로 3 및 이어서 회로 2 및 회로 4를 압축하는 단일의 유닛이 위에서 언급된 두 개의 포스 유닛의 파워의 합과 같은 파워를 가질 것이다.
캐스케이드 시스템은 도 17, 도 19, 도 20 및 도 21에서 도시된 다이어그램에서와 같이 포스 유닛 및 열 교환기, 이것만으로 제한되지 않는 본 명세서에서 언급된 것을 비롯한 상이한 타입의 펌프와 함께 사용될 수 있다.
자동화된 압축기는 둘 모두 각각의 회로 및 회로당 하나의 압축기에 대해 상이한 압력을 수행하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 장소 내의 공기는 재순환될 수 있고, 이러한 재순환 공기는 회로를 통과하여, 장소 내부의 공기를 감소시키며, 이는 제어된 통풍에 의해 제어될 수 있다.
실시예 7:
구리 파이프로 이루어지는 두 개의 막힌 회로가 구성되며(도 24 및 도 12), 이 회로는 100 Mpa의 설계 압력을 갖는 클라우시우스-클라페이론 방정식의 결과일 것이며, 요구되는 온도에서 응고를 달성하기 위해, 이 경우 작동 온도는 15 ℃ 내지 35 ℃의 온도로 작동하도록 구성될 것이고, 따라서 본 실시예의 시스템 내의 압력은 0.01 파스칼 내지 100 Mpa 사이의 범위일 것이다. 각각의 회로는 회로 1 및 회로 2마다 3.5 mm의 내부 직경 및 1.7 mm의 두께 및 2 미터의 길이를 갖는 메인 구리 파이프(12)로 구성된다. 각각의 단부, 이하 단부(19)에서, 회로 1 및 회로 2의 파이프(12) 각각은 3.5 mm의 내부 직경을 갖고, 1.7 mm의 두께 및 50 mm의 길이를 갖는 파이프(17)에 삽입되며, 이 파이프는 각각의 회로를 방향 제어 밸브(38)의 각 측에 연결하고, 플런저 펌프 등(도 11), 이하 "증압기"에 연결되며, 증압기는 포스 유닛 1(10)(도 19 및 도 20)으로 불리는 압축기 또는 펌프 장비의 부분이고, 400 mm의 길이, 400 mm의 높이 및 300 mm의 폭을 갖는다. 포스 유닛은, 필요하면, PCM을 격실에 진입하게 하는 밸브를 통해 유입 유체가 제어될 수 있게 하고, 릴리프 밸브를 통해 압력을 제어하는 센서를 갖고, 이 경우, 방향 제어 밸브(38)와 함께 플런저 펌프(1) 및 다른 전형적인 요소는, 유체를 압축하여 상태를 변경시키는, 500 W의 파워를 갖는 포스 유닛 1을 동작시킨다. 단부(20)(도 10 및 도 11)로 불리는 단부로부터 0.1 미터에서, 본 실시예의 경우 단부(19)로부터 1 미터에 위치되는 상기 단부가 제어 시스템(11)에 연결되며, 또한 제어 시스템은 4개의 서모스탯, 4개의 압력 스위치, 각각 30 W의 4개의 팬(30), 이하, "보조 장비"로 구성된다.
회로 1의 메인 파이프(12)의 단부에서, 본 실시예의 경우, 단부(19)로부터 2 미터인 곳에 위치된 단부(21)에서, 3.5 mm의 내부 직경, 1.7 mm의 두께 및 100 cm의 길이를 갖는 제1 파이프(13)가 연결되고, 이곳으로부터, 파이프(22), 이 경우 매니폴드가 출현하고(도 12), 여기에서 제1 복수의 파이프(8) 등이 연결된다. 매니폴드 파이프(22)는 3.5 mm 의 내부 직경 및 1.7 mm의 두께 및 100 센티미터의 길이를 갖는다. 파이프(8) 등은 2.8 mm의 내부 직경 및 1.4 mm의 두께를 가지며, 이 경우 전체 500 미터의 길이를 갖는 100 미터의 5개의 파이프가 100 센티미터 길이 x 100 센티미터 높이의 코일을 형성하며, 코일에는 핀 사이에 3 mm의 간격이 있고 14 mm의 외부 반경을 갖는 원형 알루미늄 핀이 연결된다. 파이프(8)는 이러한 매니폴드 파이프(22)에 연결되며, 매니폴드 파이프는 파이프(13)에 연결되고, 차례로 메인 파이프(12)에 연결된다.
회로 2의 메인 파이프(12)의 다른 단부에서, 본 실시예의 경우 단부(19)로부터 1 미터인 곳에 위치된 다른 단부에서, 3.5 mm의 내부 직경을 갖고, 1.7 mm의 두께 및 100 cm의 길이를 갖는 제1 파이프(15)가 연결되고, 이곳으로부터, 파이프(22), 이 경우 매니폴드가 출현하고, 여기에서 제1 복수의 파이프(8) 등이 연결된다. 매니폴드 파이프(22)는 3.5 mm의 내부 직경 및 1.7 mm의 두께 및 100 센티미터의 길이를 갖는다. 파이프(8) 등은 2.8 mm의 내부 직경 및 1.4 mm의 두께를 가지며, 이 경우 전체 500 미터의 길이를 갖는 100 미터의 다섯 개의 파이프는 교환기(34)에 삽입되는 100 센티미터 길이 x 100 센티미터 높이를 갖는 코일을 형성하며, 이 코일에는 핀 사이에 3 mm 간격으로 외부 반경이 14 mm인 원형 알루미늄 핀이 연결된다. 파이프(8)는 이러한 매니폴드 파이프(22)에 연결되며, 매니폴드 파이프는 파이프(15)에 연결된다.
이 경우(도 22 및 도 24), 포스 유닛 1은 방향 제어 밸브(38)를 통해 회로 1 및 회로 2에 연결될 것이며, 모든 것은 제어 유닛(11)에 의해 제어될 것이다.
본 실시예에서, 전체 5개의 파이프(8)가 파이프(22)를 따라 서로 96 mm 이격되어 연결된 회로 1 및 회로 2의 파이프(22) 각각에 연결된다.
이러한 회로 1 및 회로 2 각각은 도 24의 것과 유사한 시스템을 형성하는 열 교환기(34) 내부에 위치된다.
상 변화 물질("PCM"), 이 경우 대기압에서 12 ℃의 온도에서 응고되도록 설계된 PCM, 이하 "PCM 1"로 불리는 유기 또는 무기 유체가 회로 내로 도입되고, 다음으로 포스 유닛은 시스템을 압축하고, 이로부터 모든 공기를 제거하고 단지 PCM만을 남겨놓으며, 파이프 플러그로 자유 단부를 폐쇄한다.
이어서, 냉각을 위한 장비를 사용하고 환경의 온도가 33 ℃인 경우, 포스 유닛 1의 도움으로, 회로 1 내의 압력은 100 Mpa로 증가될 것이며, 상기 압축은 이 회로가 회로 1에 액체 상태로 저장된 PCM의 최대 볼륨을 충족시킬 때 시작되며, 그런 다음, 압력을 증가시키면 PCM의 온도가 대기압에서 응고되는 온도를 항시 초과하는 PCM의 응고 곡선에 도달한다는 것으로 인해, 각각의 포스 유닛은 PCM이 응고할 때까지 밸브(38)를 통해 PCM을 압축할 것인데, 왜냐하면 만약 PCM 온도가 대기압에서의 응고 온도보다 더 낮으면, 이것은 응고되고 상태 변화는 수행되지 않을 것이기 때문이며, 따라서, 선형 증압기 펌프를 사용하는 경우에, PCM이 대기압에서 그의 응고 온도보다 더 낮은 온도에 있을 때, 음의 압력이 가해지거나 또는 회로의 내부 압력이 대기압보다 더 낮은 압력으로 감소되고, 이것은 상태의 변화를 생성한다. 열 전달은 본 실시예의 경우 6, 8, 10 ℃ 또는 더 낮은 온도에서 일어날 수 있다. 이것이 반대측 회로(회로 2)에 대해 이것이 발생되는 동안, 포스 유닛의 밸브(38)는 이 회로 2의 PCM 볼륨을 증가시킬 것이며 (이것은 단지 제1 위상에서 발생함), 다음으로 각각의 포스 유닛은 밸브(38)를 통해 회로 2를 압축할 것이며, 회로 2의 PCM이 응고될 때까지 압력을 증가시킬 것이다.
회로 2 내의 PCM이 응고될 때, 회로 1 내의 PCM은 융해될 것이며, 그 반대로도 가능하다.
각각의 회로는 동일한 방식으로 작동된다.
열 전달의 열적 프로세스와 합동하여, 500 W의 파워를 갖는 포스 유닛(도 20)은 각각의 회로의 내부 압력이 변하도록 하고, 이것으로 PCM의 상태 변화가 일어난다. 전술한 프로세스는 포스 유닛의 작용과 함께 수축, 압축, 압력의 증가, PCM의 액체로부터 고체 상태로의 상태 변화를 생성하며, 압축 해제 또는 압력의 감소 동안, 예를 들어, 고체로부터 액체로의 상태 변화는 회로 1의 파이프 내의 PCM의 융해(고체로부터 액체로)에 의해 열을 흡수하고, 동시에, 반대측 회로 2의 액체로부터 고체로의 변환으로 열을 방출한다. 예로서, 도 20의 플런저 펌프(1)는 각각의 포스 유닛의 밸브(38)와 함께, 다시 회로 1의 압력을 증가시키고 PCM을 액체로부터 고체로 변환시키는데 필요한 힘을 교번적으로 가할 것이고, 반면에 밸브(38)는 회로 2의 압력을 방출할 것이며, 따라서 이것은, 동시에, 반대측 회로 2가 상태 변화의 역방향 프로세스, 즉 고체로부터 액체로의 역방향 프로세스를 수행하도록 할 것이다. 이러한 프로세스는 열적 및 기계적 열 전달 프로세스를 통해 수행된다. 이러한 프로세스 동안, 각 회로 내의 각각의 이차 파이프(8)의 파이프에 각각 배치되는 2개의 온도 및 압력 센서로부터의 정보를 수신하는 제어 시스템은 파이프 내부 온도 및 외부 온도에 관한 정보를 획득한다. 제어 시스템의 기능은 포스 유닛을 통해 상태 변화를 제어하는 것이며, 컴포넌트 및 보조 장비를 제어하기 위해, 예를 들어, 제어 시스템은 통기 게이트(40)(본 실시예에서 도 24에 도시된 바와 같이 위치됨)를 제어하여, 냉각 모드의 경우, PCM이 응고될 때 회로 1 또는 회로 2의 열 교환기를 떠나는 고온 공기의 유동이 방출되도록 하고, PCM이 융해될 때 회로 1 또는 회로 2의 열 교환기를 떠나는 차가운 공기의 유동이 통기 덕트(31) 내로 도입되도록 한다. 또한, 시스템이 정지할 때 최대 설계 압력을 전달하는 것을 피하기 위해, 제어 시스템은 밸브(38) 등이 각각의 회로에서 압력을 방출하도록 할 것이다.
이 경우, 그 압력에서 고체 상태의 PCM은 액체 PCM(이것은 또한 부분적 고체인 PCM, 예를 들어, 겔인 경우일 수 있음)보다 더 높은 밀도를 가지며, 고체로부터 액체 상태로의 상태 변화가 일어날 때, PCM이 그러한 위상 변화 동안 있게 될 압력에 따라, 그리고 PCM의 타입에 따라, 이 경우에 대략 5 내지 8 %의 볼륨 변화가 일어나고, 이러한 변화는 시스템이 흡수하게 만들며, 액체 또는 부분적 액체로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로의 변화가 일어날 때, 시스템은 이 경우 5,000 BTU/h를 흡수 또는 방출하기 위한 열 용량을 갖는 열을 방출한다.
이러한 프로세스는 필요에 따라 하루 내내 계속 반복된다. 제어 시스템은 희망하는 온도에 도달되도록 PCM의 초기 압력 및 팬의 속도를 제어할 것이다. PCM은 PCM이 응고될 때 열을 방출할 것이고, PCM이 융해될 때 열을 흡수할 것이다. 이렇게 흡수되거나 전달된 모든 열은 압력 변화의 결과로서 위에서 언급된 상태 변화를 생성할 것이다.
통기 게이트(40)의 방향은 가열 모드 또는 냉각 모드에서 사용하기 위해 역전될 것이다.
시스템은 도 17, 도 19, 도 20 및 도 21에서 도시된 다이어그램에서와 같이 포스 유닛 및 열 교환기, 이들만으로 제한되는 것이 아닌 본 명세서에서 언급된 것을 비롯한 상이한 타입의 펌프와 함께 사용될 수 있다.
실시예 8:
구리 파이프로 이루어지는 두 개의 막힌 회로가 구성되며(도 21 및 도 12), 이 회로는 100 Mpa의 설계 압력을 갖는 클라우시우스-클라페이론 방정식의 결과일 것이며, 요구되는 온도에서 응고를 달성하기 위해, 이 경우, 작동 온도는 18 ℃ 내지 36 ℃의 온도로 작동하도록 구성될 것이고, 따라서, 본 실시예의 시스템 내의 압력은 0.001 파스칼 내지 100 Mpa 사이의 범위일 것이다. 각각의 회로는 회로 1 및 회로 2마다 3.5 mm의 내부 직경 및 1.7 mm의 두께 및 2 미터의 길이를 갖는 메인 구리 파이프(12)로 구성된다. 메인 파이프의 단부 중 각각의 단부, 이하 단부(19)에서, 회로 1 및 회로 2의 파이프(12) 각각이, 3.5 mm의 내부 직경을 갖고, 1.7 mm의 두께 및 50 mm의 길이를 갖는 파이프(17) 내에 삽입되며, 이 파이프는 각각의 회로를 방향 제어 밸브의 각 측에 연결할 것이고, 선형 증압기 펌프, 이하 "증압기"(도 11)에 연결되며, 증압기는 포스 유닛(10)(도 21)으로 불리는 압축기 또는 펌프 장비의 부분이고, 582 mm의 길이 및 170 mm의 직경을 갖는다. 포스 유닛은, 필요하면, PCM이 격실에 진입하게 하는 밸브를 통해 유입 유체가 제어될 수 있게 하고, 릴리프 밸브를 통해 압력을 제어하는 센서를 갖고, 이 경우, 방향 제어 밸브(38) 및 포스 유닛 1을 동작시키는 다른 전형적인 요소와 함께 선형 증압기 펌프(1) 유체를 압축하여 상태를 변화시킨다. 단부(20)(도 10 및 도 11)로 불리는 단부로부터 0.1 미터에서, 본 실시예의 경우 단부(19)로부터 1 미터에 위치된 상기 단부가 제어 시스템(11)에 연결되며, 또한, 제어 시스템은 4개의 서모스탯, 4개의 압력 스위치, 이하, "보조 장비"로 구성된다.
회로 1의 메인 파이프(12)의 단부에서, 본 실시예의 경우 단부(19)로부터 2 미터인 곳에 위치되는 단부(21)에서, 3.5 mm의 내부 직경, 1.7 mm의 두께 및 100 cm의 길이를 갖는 제1 파이프(13)가 연결되고, 이곳으로부터, 파이프(22), 이 경우 매니폴드가 출현하고(도 12), 여기에 제1 복수의 파이프(8) 등이 연결된다. 매니폴드 파이프(22)는 3.5 mm 의 내부 직경 및 1.7 mm의 두께 및 100 센티미터의 길이를 갖는다. 파이프(8) 등은 2.8 mm의 내부 직경 및 1.4 mm의 두께를 갖고, 이 경우 전체 500 미터의 길이를 갖는 100 미터의 다섯 개의 파이프가 100 센티미터 길이 x 100 센티미터 높이의 코일을 형성하며, 이 코일에는 핀 사이의 간격이 3 mm 이고 외부 반경이 14 mm인 원형 알루미늄 핀이 연결된다. 파이프(8)는 이러한 매니폴드 파이프(22)에 연결되며, 매니폴드 파이프는 파이프(13)에 연결되고, 차례로 메인 파이프(12)에 연결된다.
회로 2의 메인 파이프(12)의 다른 단부에서, 본 실시예의 경우, 단부(19)로부터 1 미터인 곳에 위치된 다른 단부에서, 3.5 mm의 내부 직경을 갖고, 1.7 mm의 두께 및 100 cm의 길이를 갖는 제1 파이프(15)가 연결되고, 이곳으로부터, 파이프(22), 이 경우 매니폴드가 돌출되고, 여기에 제1 복수의 파이프(8) 등이 연결된다. 매니폴드 파이프(22)는 3.5 mm 의 내부 직경 및 1.7 mm의 두께 및 100 센티미터의 길이를 갖는다. 파이프(8) 등은 2.8 mm의 내부 직경 및 1.4 mm의 두께를 가지며, 이 경우 전체 500 미터의 길이를 갖는 100 미터의 다섯 개의 파이프가 100 센티미터 길이 x 100 센티미터 높이의, 열 교환기(34)에 삽입되는 코일을 형성하며, 이 코일에는 핀 사이의 간격이 3 mm이고 외부 반경이 14 mm인 원형 알루미늄 핀이 연결된다. 파이프(8)는 매니폴드 파이프(22)에 연결되며, 매니폴드 파이프는 파이프(15)에 연결된다.
이 경우, 포스 유닛 1은 방향 제어 밸브(38)를 통해 회로 1 및 회로 2에 연결될 것이며, 모든 것은 제어 유닛(11)에 의해 제어될 것이다.
본 실시예에서, 전체 5개의 파이프(8)가 파이프(22)를 따라 서로 96 mm 이격되어 연결된 회로 1 및 회로 2의 파이프(22) 각각에 연결된다.
이러한 회로 1 및 회로 2 각각은 도 21의 것과 유사한 시스템을 형성하는 열 교환기(34) 내부에 위치된다.
상 변화 물질("PCM")로 불리는, 이 경우 대기압에서 27 ℃의 온도에서 응고되도록 설계된 PCM, 이하 "PCM 1" 유기 또는 무기 유체가 회로 내로 도입되며, 그런 다음, 포스 유닛은 시스템을 압축하고, 이로부터 모든 공기를 제거하고 단지 PCM만을 남겨놓으며, 파이프 플러그로 자유 단부를 폐쇄한다.
이어서, 물을 냉각하기 위한 장비를 사용하고 온도가 36 ℃인 경우, 포스 유닛 1의 도움으로, 회로 1 내의 압력은 100 Mpa로 증가될 것이며, 상기 압축은 이 회로가 회로 1에 액체 상태로 저장된 PCM의 최대 볼륨을 충족시킬 때 시작되며, 그런 다음, 각각의 포스 유닛은, 포스 유닛이 압력을 높일 때 PCM의 온도가 PCM이 대기압에서 응고되는 온도를 항시 초과하는 PCM의 응고 곡선에 도달한다는 사실로 인해, PCM이 응고될 때까지 밸브(38)를 통해 PCM을 압축할 것인데, 왜냐하면 만약 PCM 온도가 대기압에서의 응고 온도보다 더 낮으면, 이것은 응고되는 것으로 밝혀졌고 상태 변화는 수행되지 않을 것이기 때문이며, 따라서, 선형 증압기 펌프 또는 다른 것을 사용하는 경우, PCM이 대기압에서 그의 응고 온도보다 더 낮은 온도에 있을 때, 음의 압력이 가해지거나 또는 회로의 내부 압력이 대기압보다 더 낮은 압력으로 감소되며, 이것은 상태의 변화를 생성한다. 열 전달은 본 실시예의 경우 24, 22, 20 ℃ 또는 더 낮은 온도에서 일어날 수 있다. 이것이 반대측 회로(회로 2)에 대해 발생되는 동안, 포스 유닛의 밸브(38)는 개방되어 PCM을 유입시킬 것이며, 따라서 이 회로 2의 PCM 볼륨이 증가될 것이며 (이것은 제1 위상에서만 발생됨), 이어서, 각각의 포스 유닛은 밸브(38)를 통해 회로 2를 압축할 것이며, 회로 2의 PCM이 응고될 때까지 압력을 증가시킬 것이다.
회로 2 내의 PCM이 응고될 때, 회로 1 내의 PCM은 융해될 것이며, 또한 그 반대로도 가능하다.
각각의 회로는 동일한 방식으로 작동된다.
열 전달의 열적 프로세스와 합동하여, 전체 300 W의 파워를 갖는 포스 유닛(도 21)은 각각의 회로의 내부 압력을 변동시키고 이에 따라 PCM의 상태 변화를 변동시킨다. 전술한 프로세스는 포스 유닛의 컴포넌트의 작용과 함께 수축, 압축, 압력의 증가, PCM의 액체로부터 고체 상태로의 상태 변화를 생성하며, 압축 해제 또는 압력의 감소 동안, 예를 들어, 고체로부터 액체로의 상태 변화는 회로 1의 파이프 내의 PCM의 융해(고체로부터 액체로)에 의해 열을 흡수하고, 동시에, 반대측 회로 2의 액체로부터 고체로의 변환으로 열을 방출한다. 예로서, 도 21의 선형 증압기 펌프(1)는 각각의 포스 유닛의 밸브(38)와 함께, 다시 회로 1의 압력을 증가시키고 PCM을 액체로부터 고체로 변환시키는데 필요한 힘을 교번적으로 가할 것이고, 반면에 밸브(38)는 회로 2의 압력을 방출할 것이며, 따라서, 이것은, 동시에, 반대측 회로 2가 상태 변화의 역방향 프로세스, 즉 고체로부터 액체로의 역방향 프로세스를 수행하도록 할 것이며, 밸브(38)는 선형 증압기 펌프(1)에 압축 해제되는 PCM을 재진입시킬 것이다. 이러한 프로세스는 열적 및 기계적 열 전달 프로세스를 통해 수행된다. 이러한 프로세스 동안, 각 회로 내의 각각의 이차 파이프(8)의 파이프에 각각 배치되는 2개의 온도 및 압력 센서로부터의 정보를 수신하는 제어 시스템은 파이프 내부 온도 및 외부 온도에 관한 정보를 획득한다. 제어 시스템의 기능은 포스 유닛을 통해 상태 변화를 제어하는 것이며, 예를 들어, 컴포넌트 및 보조 장비를 제어하기 위해, 제어 시스템은 도 21에 도시된 바와 같이 위치되는 본 실시예에서 물일 수 있는, 냉각된 유체 또는 가열된 유체의 목적지를 제어할 방향 제어 밸브(37)를 제어하여, 냉각 모드의 경우 PCM이 응고될 때 회로 1 또는 회로 2의 열 교환기를 떠나는 고온 액체의 유동이 냉각 타워 타입의 열 교환기(42) 등에 들어가고, 열 교환기는 이 유동을 실온에서 냉각한 다음 재진입시키며, PCM이 융해될 때 회로 1 또는 회로 2의 열 교환기를 떠나는 냉각된 액체의 유동은 후속 사용(41)을 위해 파이프 내로 도입될 것이며, 필요하다면, 유동이 재가열될 때, 유동이 재도입될 것이다. 또한, 시스템이 정지할 때 최대 설계 압력을 전달하는 것을 피하기 위해, 제어 시스템은 밸브(38) 등이 각각의 회로에서 압력을 방출하도록 할 것이다.
이 경우에, 그 압력에서 고체 상태의 PCM은 액체 PCM(이것은 또한 부분적 고체인 PCM, 예를 들어, 겔인 경우일 수 있음)보다 더 높은 밀도를 가지며, 고체로부터 액체 상태로의 상태 변화가 일어날 때, PCM이 위상 변화 동안 있게 될 압력에 따라, 그리고 PCM의 타입에 따라, 이 경우 대략 5 내지 8 %의 볼륨 변화가 일어나고, 이러한 변화는 시스템이 흡수하게 만들며, 액체 또는 부분적 액체로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로의 변화가 일어날 때, 시스템은 20,000 BTU/h를 흡수 또는 방출하는 열 용량을 갖는 열을 방출한다. 이것은 20이라는 COP(성능 계수)를 산출하며 50의 COP에서는 온도가 상태 변화 온도에 가까울 때 낮은 압축에 이를 수 있다.
이러한 프로세스는 필요에 따라 하루 내내 계속 반복된다. 제어 시스템은, 희망하는 온도에 도달하기 위해, 반드시 이러한 장비의 부분이 아닌 유압 펌프를 통해, 요구한 만큼 냉각 또는 가열을 위해 PCM의 초기 압력 및 유체의 속도를 제어한다. PCM은 PCM이 응고될 때 열을 방출할 것이고, PCM이 융해될 때 열을 흡수할 것이다. 흡수되거나 전달된 이 모든 열은 압력 변화의 결과로서 위에서 언급된 상태 변화를 생성할 것이다.
방향 제어 밸브(37)는 물 또는 유체의 가열 또는 냉각 모드에서 사용하기 위해 반대로 될 것이다.
시스템은 도 17, 도 19, 도 20 및 도 21에서 도시된 다이어그램에서와 같이 포스 유닛 및 열 교환기, 이들만으로 제한되는 것이 아닌 본 명세서에서 언급된 것을 비롯한 상이한 타입의 펌프와 함께 사용될 수 있다.
이러한 방법 및 시스템을 사용하는 사람뿐 아니라 장비는 경우에 따라 현재의 장비에 의해 사용되는 응축기 또는 증발기를 통과하는 공기를 냉각하기 위해 선택적으로 사용될 수 있으며, 이를테면 이것을 통과하는 공기 유동의 온도는 감소 또는 증가되고, 이에 따라 부하가 감소되므로, 일반적인 공기 조화 장비의 소비를 감소시킨다.
또한 이것은 현재의 공기 조화 장비를 지원부로서 사용하여 작동할 수 있으므로, 특정 온도 범위에서는 현재의 것이 작동하고, 다른 범위에서는 이러한 방법 및 시스템이 작동한다.
압력 증압기는 또한 펌프를 더 낮은 압력으로 사용할 수 있도록 장비에서 사용될 수 있다. 증압기는 압력을 증가시키는 기능을 이행하며, 따라서 높은 압력에서 동작하는 더 적은 수의 컴포넌트가 있을 것이고, 또한 이에 따라 선형 증압기를 갖지 않는 펌프를 사용하는 경우, 두 개의 유체가 분리될 수 있고, 이것은 펌프에서 사용되는 유압 오일일 수 있는 유체를 의미하고, 증압기의 다른 단부에서 유체는 PCM일 수 있다.
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Claims (31)

  1. 열 전달을 초래하는데 사용되는, 가정용, 상업용 또는 산업용 사용을 위한, 에너지 소비가 낮은, 폐쇄 회로 내 두 개 이상의 매체 사이에서 열 전달을 초래하기 위한 시스템으로서,
    열적 작동 유체를 수용하도록 구성되는 막힌 파이프라인 회로 - 상기 막힌 파이프라인 회로는 상기 막힌 파이프라인 회로를 형성하기 위한 하나 이상의 파이프(8)를 포함하고, 상기 막힌 파이프라인 회로는 그 단부 중 일 단부에서 폐쇄됨 -;
    상기 막힌 파이프라인 회로의 하나 이상의 파이프에 의해 형성되는 하나 이상의 열 교환기(34);
    상기 막힌 파이프라인 회로에 연결되어 상기 막힌 파이프라인 회로 내 상기 열적 작동 유체의 압력을 증가 또는 감소시킬 수 있는 하나 이상의 포스 유닛;
    액체 상태 또는 초임계 유체 상태로부터 고체 또는 부분적 고체 상태로 및 그 반대로, 또는 한 고체 상태로부터 다른 고체 상태로 및 그 반대로의 상기 열적 작동 유체의 상태 변화를 유도하는 방식으로 상기 막힌 파이프라인 회로 내 상기 열적 작동 유체의 압력 및 수축을 제어하기 위해 상기 포스 유닛을 제어하도록 구성되는 제어 시스템(11);
    을 포함하는, 열 전달을 초래하기 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 공간을 공기 조화하기 위해 사용되도록 구성되고, 제어 유닛은 공기 조화될 상기 공간이 원하는 온도에 도달할 때까지 상기 막힌 파이프라인 회로 내 상기 열적 작동 유체의 압력 및 수축을 제어하도록 구성되는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 포스 유닛은,
    a. 그 내부에 플런저(27)에 연결되는 적어도 하나의 피스톤(2)을 포함하는 실린더(1);
    b. 유압 펌프(32)로부터 유압 유체를 수용하도록 구성되고, 액체로부터 고체 상태로 또는 그 반대로 또는 고체 상태로부터 다른 고체 상태로 또는 그 반대로 변화를 초래하기 위해 상기 열 교환기 내 상기 열적 작동 유체를 압축하기 위해 플런저를 교번적으로 이동시키기 위해 상기 플런저를 작동시키도록 구성된 방향 제어 밸브(29);
    를 포함하는, 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열적 작동 유체는, 상기 유체의 상태 변화에 의해 유발되는 교번적인 볼륨의 변화를 제외하고, 순환되지 않거나 변위되지 않도록 구성되어, 이러한 유체는 동일한 경로를 따라서 팽창 및 수축하는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    열 또는 차가운 공기를 방출 또는 도입하기 위한 하나 이상의 통기 덕트를 더 포함하는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 파이프(8)는 모세관 파이프인, 열 전달을 초래하기 위한 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 파이프(8)는 0.5 mm 내지 6 mm의 내부 직경을 갖는, 열 전달을 초래하기 위한 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 열 교환기(34)를 통과하는 공기를 밀어내거나 흡입하도록 구성된 팬(30)을 더 포함하는, 열 전달을 초래하기 위한 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 팬은 열 전달 시스템을 가열 또는 냉각 모드 사이에서 변경하기 위해 그 방향을 역전하도록 구성되는, 열 전달을 초래하기 위한 시스템.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 시스템은 전자적으로 작동되고 실린더(1)에 연결되도록 구성되어 상기 피스톤(2)이 복귀하는 것을 방지하는 단일 방향 밸브(26)를 더 포함하는, 열 전달을 초래하기 위한 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 상태 변화 유체를 실린더(1) 및 상기 파이프(8) 내로 도입하기 위한 충전 밸브(33)를 더 포함하는, 열 전달을 초래하기 위한 시스템.

  12. 제1항에 있어서,
    상기 파이프(8)는 냉각 및 가열을 위한 펠티어 셀(Peltier cell)에 연결되는, 열 전달을 초래하기 위한 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어 시스템에 정보를 전달하도록 구성되는, 폐쇄 루프의 하나 이상의 압력 및 온도 센서를 포함하는, 열 전달을 초래하기 위한 시스템.
  14. 열 전달을 초래하는데 사용되는, 가정용, 상업용 또는 산업용 사용을 위한 공간을 공기 조화하기 위한 HVAC 시스템을 위한, 에너지 소비가 낮은, 폐쇄 회로 내 두 개 이상의 매체 사이에서 열 전달을 초래하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 제1항에 따른 시스템을 사용하는 단계를 포함하는, 열 전달을 초래하기 위한 방법.
  15. 열 전달을 초래하는데 사용되는, 가정용, 상업용 또는 산업용 사용을 위한, 에너지 소비가 낮은 공간을 공기 조화하기 위한 HVAC 시스템을 위한, 폐쇄 회로 내 두 개 이상의 매체 사이에서 열 전달을 초래하기 위한 방법으로서,
    하나 이상의 포스 유닛에 연결된 막힌 파이프라인 회로 내로 열적 작동 유체를 도입하는 단계 - 상기 막힌 파이프라인 회로는 상기 막힌 파이프라인 회로를 형성하기 위한 하나 이상의 파이프(8)를 포함하고, 상기 막힌 파이프라인 회로는 그 단부 중 일 단부에서 폐쇄됨 -;
    상기 하나 이상의 포스 유닛에 의해 상기 막힌 파이프라인 회로 내 상기 열적 작동 유체를 압축하는 단계;
    압력 증가에 의해 및 각각의 열적 작동 유체의 위상 다이어그램에 따라, 상기 열적 작동 유체의 액체로부터 고체로 또는 그 반대로, 또는 고체 상태로부터 다른 고체 상태로 또는 그 반대로의 변화를 초래하는 단계;
    상기 막힌 파이프라인 회로의 상기 하나 이상의 파이프(8)에 의해 형성된 하나 이상의 열 교환기(34)로 열을 넘겨주거나 전달하는 단계;
    각각의 열적 작동 유체의 상기 위상 다이어그램에 따라, 압력의 강하에 의해 상태의 변화를 재유도하기 위해 상기 막힌 파이프라인 회로 내 상기 열적 작동 유체를 압축 해제하는 단계;
    공기 조화될 공간이 원하는 온도에 도달할 때까지 상기 단계를 반복하는 단계;
    를 포함하는, 열 전달을 초래하기 위한 방법.

  16. 제15항에 있어서,
    상기 포스 유닛에 의해 상기 열적 작동 유체를 압축하는 단계는,
    a. 그 내부에 플런저(27)에 연결되는 적어도 하나의 피스톤(2)을 포함하는 실린더(1)에 의해 상기 열적 작동 유체를 압축하는 단계 - 상기 플런저(27)는 유압 펌프(32)로부터 유압 유체를 수용하는 방향 제어 밸브(29)의 작동 하에 교번적으로 이동됨 -;
    b. 제어 유닛(11)을 통해 상기 막힌 파이프라인 회로에 포함된 온도 및 압력과 관련하여 상기 방향 제어 밸브(29)의 작동을 조절하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  17. 삭제
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