KR20000035105A - 열저장장치용 열교환부재 - Google Patents

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KR20000035105A
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카플란브라디미르
밀러로버트피.
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브로시우스 에드워드 제이
벌티모어 에어코일 컴파니 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 열저장 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 상변화 매치내에 잠기는 열교환 부재의 그룹들을 사용하여 상기 열교환 매체를 결빙시킴으로서 냉기를 축적한다. 상기 열교환 부재들은 각각 튜브형 통로들을 갖추어 상기 장치를 통하여 열전달 유체들을 이송하고 얼음 형성싸이클 도중에 상변화 물질을 결빙시키며, 용해싸이클 도중에 상기 고체상 변화물질에 의해서 냉각되도록 한다. 상기 열교환 부재들은 각각 거의 연속적인 대향면들을 갖추어 상기 고체상 변화물질이 튜브형 통로들을 에워싸는 고리를 형성하는 것을 방지한다. 이러한 얼음 형성싸이클 도중에, 상기 고체상 변화물질은 보충 시트혹은 체적내에 형성되어 용해싸이클 동안 상기 열전달 유체가 배출구주위에서 열은 얻지 않도록 한다. 이러한 열교환 부재들은 플라스틱과 같은 경량재료로서 이루어질 수 있다.

Description

열저장장치용 열교환부재{HEAT EXCHANGE MEMBERS FOR THERMAL STORAGE APPARATUS}
본 발명은 열저장 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 냉기(coolness)를 저장하고, 후에 이를 방출하기 위하여 사용되는 열저장장치에 사용되기 위한 열교환 부재에 관한 것이다.
오프 피크 에너지(off-peak energy) 기간 도중에 얼음을 형성하고, 상기 얼음의 냉기를 사용하여 열전달 유체를 냉각시키는 방식의 열저장장치는 예를들면, 미국특허 제 4,831,831호등에 공지되어 있다. 전형적으로, 얼음형성 싸이클 도중에, 열전달 유체는 기계적인 냉각 유니트를 통하여 유입헤더로 제공되고, 액상 변화물질(liquid phase change material), 통상적으로 물의 수조(pool)내에 잠겨진 분리식 튜브형 통로들을 통하여 통과된다. 상기 열전달 유체는 통상적으로 물의 결빙온도보다 낮은 온도이다. 보조 결빙(sub-freezing) 열전달 유체의 이러한 흐름은 상기 물 수조로부터 얼음을 형성하고, 얼음은 각각의 튜브형 통로를 포위하는 고리(annuluses)들을 형성한다. 이러한 열저장장치는 전형적으로 내부 용해식 혹은 외부 용해식의 장치이다.
내부 용해식 장치에서는, 용해싸이클 도중에, 열전달 유체가 공조시스템 혹은 냉각시스템내의 열교환기를 통하여 통과함으로서 통상적으로 가온된 후, 상기 열전달 유체는 상기 유체를 냉각시키기 위한 개별적인 튜브형 통로들을 통하여 순환된다. 그 다음 상기 열전달 유체는 열교환기로 복귀된다. 상기 열전달 유체는 전형적으로 용해싸이클동안 냉각기(chiller)를 통하여 이동할 수 있고, 열저장장치는 상기 냉각기에 의해서 생성된 온도이하로 상기 열전달 유체를 더욱 냉각시키기 위하여 사용되어질 수 있다. 상기 열전달 유체가 열저장장치 내에서 냉각되면, 상기 통로들을 감싸는 얼음의 고리들은 용해된다. 상기 냉각된 열전달 유체는 열교환장치, 냉각기 혹은 그 모두로 재순환된다. 외부 용해식의 장치에서는, 상기 냉각된 상변화 물질이 탱크로부터 열저장장치 외부의 사용을 위하여 펌핑된다.
상기 열전달 유체는 상기 장치의 방식에 따라서 변경될 수 있으며; 내부 용해식 장치에 대해서는, 에틸렌 혹은 프로필렌 글리콜등이 열전달 유체로서 사용가능하고; 외부 용해식 장치에 대해서는, 암모니아 혹은 R22등이 사용 가능하다.
다른 시스템의 탱크와 튜브형 통로들이 이러한 장치에서 사용되어 왔다. 이러한 종래의 열저장 시스템의 한가지 문제점은 용해싸이클의 효율이 시간 흐름에 따라 감소하는 것이었다. 얼음 고리들이 용해하는 경우, 물의 고리들은 상기 튜브와 얼음의 고리형 쟈켓(jacket)사이에 형성되어 시간이 경과하면 열전달 효율을 저하시키고, 그 결과 시간이 경과함에 따라 상기 열저장장치를 나가는 냉매 혹은 열전달 유체의 온도를 점진적으로 상승시키는 결과를 초래한다.
다른 문제점들도 상기 종래의 열저장 시스템내에는 존재한다. 원형 탱크내에 튜브형 플라스틱 나선형관들을 사용하는 시스템에서는, 예를들면, 상기 나선형 관들과 원형 탱크들이 통상적으로 대형이고, 기존 빌딩의 기초에 장착하기에는 문제가 있는 것이다. 플라스틱 튜브를 사용하는 몇몇의 시스템에서는, 상기 탱크내의 유용공간이 그 총효율만큼 사용되지 못한다. 철제 코일을 사용하는 시스템은 간단한 녹다운(knock-down)장착, 즉 현장에서의 해체 및 재조립등이 용이하지 않으며, 대형이고 기존 구조의 기초에 용이하게 장착되어지지 않는 것이다. 철제로 이루어진 얼음 열저장 장치들은 전형적으로 중량이고 이동시키기 곤란한 것들이다.
본 발명의 목적은 제작 및 조립하기가 매우 간단하고, 저장된 냉기를 보다 효율적으로 사용할 수 있도록 한 열저장장치를 제공함에 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 열저장장치의 상부 평면도;
도 1A는 도 1의 1A-1A선을 따라서 절취한 도 1의 열저장장치의 일부분을 도시한 단면도;
도 2는 도 1의 선 2-2를 따라서 절취한 도 1의 열저장장치의 단면도;
도 3은 도 2의 선 3-3을 따라서 절취한 도 1-2의 장치에서 하나의 열교환부재를 도시한 단면도;
도 4는 얼음 형성싸이클의 종료시에 도시된 종래의 기술에 따른 열교환 튜브의 단일 튜브형 통로를 도시한 단면도;
도 4A는 용해싸이클의 일부분 도중을 도시한 것으로, 종래의 기술에 따른 열교환 튜브의 단일 튜브형 통로를 도시한 단면도;
도 5는 얼음 형성싸이클의 종료시에 도시한 것으로, 도 2의 선 5-5를 따라서 절취된 도 2의 열교환 부재의 일부분을 도시한 단면도;
도 5A는 용해싸이클의 일부분 도중에 도시한 것으로, 도 2의 선 5-5를 따라서 절취된 도 2의 열교환 부재의 일부분을 도시한 단면도;
도 6은 2개의 열교환 부재들을 도시한 것으로, 상기 부재들에 연결되는 유입 및 배출 도관과, 냉각기(chiller)와 공기조화장치(air conditioning apparatus)등에 결합 가능한 연결부들을 도시한 개략 사시도;
도 7은 사용을 위하여 정렬된 2개의 열교환 부재들을 부분적으로 도시한 것으로, 도 9 실시예의 열교환부재들 사이에 형성된 고체상 변화 물질을 도시한 사시도;
도 7A는 사용을 위하여 정렬된 2개의 열교환 부재들을 부분적으로 도시한 것으로, 도 1-2에 도시된 실시예의 열교환부재들 사이에 형성된 고체상 변화 물질을 도시한 사시도;
도 7B는 사용을 위하여 정렬된 2개의 열교환 부재들을 부분적으로 도시한 것으로, 도 10-13에 도시된 실시예의 열교환부재들 사이에 형성된 고체상 변화 물질을 도시한 또 다른 사시도;
도 8은 사용을 위하여 정렬된 2개의 열교환 부재들을 도시하고, 하나의 열교환부재의 다른 실시예를 도시한 사시도;
도 9는 사용을 위하여 정렬된 2개의 열교환 부재들을 도시하고, 하나의 열교환부재의 다른 실시예를 도시한 사시도;
도 10은 본 발명에 따른 열저장 장치의 다른 실시예를 도시한 상부 평면도;
도 11은 도 10의 11-11선을 따라서 절취한 도 10의 열저장장치를 도시한 단면도;
도 12는 도 10의 선 12-12를 따라서 절취한 도 10의 열저장장치의 단면도;
도 13은 도 12의 선 13-13을 따라서 절취한 도 12의 열저장장치에서 하나의 열교환부재의 일부분을 도시한 단면도;
도 14는 본 발명에 사용되어질 수 있는 다른 열교환 부재의 부분 사시도;
도 15는 도 14의 선 15-15를 따라서 절취된 도 14의 열교환 부재를 도시한 단면도;
도 16은 얼음 형성싸이클의 종료시에 도시한 것으로, 도 14의 선 16-16을 따라서 절취된 도 14-15의 열교환 부재의 일부분을 도시한 단면도;
도 16A는 용해싸이클의 일부분 도중에 도시한 것으로, 도 14의 선 16-16을 따라서 절취된 도 14-15의 열교환 부재의 일부분을 도시한 단면도;
도 17은 열교환부재의 제 5실시예를 도시한 열저장장치의 단면도;
도 18은 열교환부재의 제 6실시예를 도시한 열저장장치의 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10..... 열저장 장치 12..... 탱크
14..... 상변화 물질 16..... 열교환 부재
18..... 수직 측벽 20..... 중앙 수직 평면
22..... 중앙 수직축 24..... 유입구
26..... 배출구 28..... 유입도관
29..... 열전달 유체 30..... 냉각기
35..... 도관 40,44,48.... 헤더
42,46... 축 52..... 열교환 분배기 패널
54,56... 대향면 60..... 하단부
62,66..... 유체통로 67,69,71..... 흐름통로
72..... 볼록부 77,79..... 체적
80..... 튜브 84..... 물고리
88,89.. 액상층 142.... 하부연결헤더
149.... 상부연결헤더 200.... 웨브
300.... 공통 수직평면 304.... 유체통로
306.... 튜브 308.... 스페이서 판
316.... 구멍 318.... 브라켓트
400.... 직선부
이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 원리에 따른 열저장 장치 10의 일실시예가 도 1-2에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 열저장장치 10는 상변화 물질 혹은 매체 14를 담는 탱크 12를 갖는다. 열교환부재 16의 그룹이 상기 탱크 12내의 상변화물질 14내에 잠겨진다. 상기 도시된 열저장 장치는 내부 용해식이지만, 본 발명의 기술이 상기 내부 용해식 열저장 장치에만 한정되지 않는다는 점을 알아야 한다.
이하에서는, 본 발명의 몇가지 다른 실시예들이 도면을 참조하여 기재되어 있다. 동일한 참조부호들이 상기 다른 실시예들을 설명하는 데에 있어서 동일부분을 나타내는 데 사용되었으며, 상기 부분들은 이하에 기재된 바와 같이 각각의 실시예에서 다른 특성들을 가질 수 있는 것이다.
상기 탱크 12는 도 1 및 10에 도시된 바와 같이 직사각형일 수 있다. 이러한 직사각형의 형상은 열저장을 위한 공간의 최적활용을 위하여 효과적인 것이다. 상기 도시된 탱크 12는 수직 측벽 18, 하부면 19, 중앙 수직면 20등을 갖추고, 철제와 같은 표준재료 또는 알루미늄과 같은 구조적으로 허용 가능한 대체 재료, 혹은 유리섬유(fiberglass)와 같은 섬유 강화재료등으로 제작되어질 수 있고, 벽사이에 표준 단열재가 구비된 이중 벽구조로 이루어질 수 있으며, 이러한 사항은 당업자들에게 쉽게 이해될 것이다. 상기 탱크는 단열 커버(미도시)를 가질 수 있으며, 결빙동안 상변화물질 14의 팽창을 허용하기 위한 공간을 가질 수 있다. 상기 탱크 14는 현장에서 조립되어질 수 있는 분리형 부품으로 제작될 수 있다.
상기 상변화물질 14은 Merryfull에게 부여된 미국특허 제 5,109,920호(1992)와, MacCracken에게 부여된 미국특허 제 4,294,078호에 개시된 바와 같은, 표준 열저장시스템에서 이러한 목적을 위하여 사용된 어떠한 표준 재료로도 이루어질 수 있다. 상기 도시된 열저장 장치에서 사용되기에 적합한 전형적인 상변화 물질은 물이다.
상기 열교환부재 16의 그룹은 탱크 12내의 상변화물질 14내에 잠겨진다. 첫 번째 도시된 실시예에서, 상기 열교환 부재 16는 긴 패널(elongate panel)들을 포함하고, 상기 탱크내에는 18개의 열교환부재 16들이 도 1에서 16a-16r로서 번호가 부여되어 있다. 그러나, 상기 열교환부재들의 수, 형상 및 배치와 상기 탱크의 크기 및 형상등은 시스템의 설계변수와 공간 요구조건등에 따라서 변경될 수 있음을 알아야 한다. 예를들면, 도 10-12의 실시예에서, 16a-16b로 번호가 부여된 보다 적은 수의 열교환부재 16와 보다 적은 크기의 탱크 12가 있다.
상기 도시된 제 1실시예의 모든 열교환부재 16a-16r들은 도 1-2에서 20으로 도시된 바와 같이, 탱크의 중앙 수직면중의 어느 하나에 수직으로 배치된다. 상기 도시된 제 1실시예에서, 각각의 열교환 부재 16는 탱크의 중앙 수직면 20을 따라 정렬된 수직 중앙축 22을 갖추며, 상기 열교환 부재들 각각은 직사각형 탱크의 보다 긴측 벽들에 수직으로 연장한다. 그러나, 상기 열교환 부재들은 도 10-12의 실시예에서와 같이, 직사각형 탱크의 보다 긴 벽들에 평행으로 배치될 수 있음을 알아야 한다.
하나의 열전달 부재 16에 대하여 이하에서 상술한다. 이하의 설명은 상기 열저장 장치내에서 사용되는 나머지 열교환부재들에 대해서도, 비록 번갈아 배치된(alternate) 열교환 부재들이 180°방향전환되어 있지만, 이들에 동일하게 적용될 수 있음을 알아야 한다.
각각의 열교환 부재 16는 유입구 24와 배출구 26를 갖추며, 각각의 열교환 부재의 유입구 24와 배출구 26를 연결하는 흐름통로를 제공하여 열전달 유체 29가 상기 열교환 부재를 통하여 이동되도록 한다. 각각의 열교환 부재 16의 유입구 24는 유입도관 28을 통하여 열전달 유체 29의 공급원(source) 30에 연결되고, 각각의 열교환 부재 16의 배출구 26는 배출도관 32을 통하여 열교환 장치 34에 연결되며, 여기서 상기 배출도관은 도 6 및 10에 도시된 바와 같이, 열전달 유체의 공급원 30에 연결될 수도 있다.
상기 열전달 유체의 공급원 30은 전형적으로 냉각장치이다. 정상작동에서, 상기 냉각기 30는 오프 피크 에너지(off-peak energy) 사용시간 동안, 상기 상변화 물질 14의 결빙점(freezing point)이하의 온도로 열전달 유체 29를 냉각할 것이다. 다음, 상기 냉각된 열전달 유체 29는 열교환 부재 16들을 통하여 순환된다. 상기 열전달 유체 29가 각각의 열교환 부재 16를 통하여 순환하는 경우, 상변화물질 14은 냉각되고, 고체상으로 즉 얼음으로 냉각 결빙된다. 이러한 얼음 형성 싸이클 도중에, 상기 배출도관 32을 통하여 배출되는 열전달 유체 29는 얼음 형성 공정을 지속하도록 냉각 및 재순환을 위하여 냉각기 30로 복귀될 수 있다. 열저장 장치 10의 저장된 냉기를 사용하고자, 예를 들면 피크 에너지(peak energy)사용시간대에, 상기 열전달 유체 29가 열교환 장치 34, 예를들면 공조시스템과 같은 것을 통하여 순환되기 전에 사용하는 것이 필요하게 되면, 이는 먼저 열저장장치 10를 통하여 순환되어 공기 온도조절에 사용되기 위하여 열전달유체 29를 냉각할 수 있다. 이러한 사용 싸이클 도중에, 얼음과 같은 저장된 고체 상변화물질은 용해하고, 열전달 유체 29의 온도는 상기 저장된 얼음이 상기 유체를 냉각하는 때에 낮아지게 된다. 열저장장치의 저장된 냉기는 피크 에너지 사용기간의 일부 혹은 전부에 걸쳐서 열전달 유체 29상에 냉각기 30의 효과를 보충하거나 혹은 냉각기 30를 대체하도록 사용될 수 있다. 이러한 작동에 대한 도관 35과 밸브 37를 나타내는 선들의 일례가 도 6과 10에 도시되어 있다.
상기 도시된 제 1실시예에서, 각각의 열교환 부재 16내에, 유입구 24는 중앙 길이방향 축 42을 갖는 유입헤더 40를 구비한다. 각각의 열교환 부재 16의 배출구는 상기 유입헤더 40의 중앙 길이방향 축 42에 평행한 중앙 길이방향 축 46을 갖는 배출 헤더 44를 구비한다. 상기 도시된 유입 및 배출 헤더 40,44들은 공동의 직선축(co-linear axes) 42,46을 갖고, 실린더형을 갖는다. 상기 유입 및 배출 헤더 40,44는 예를들면, 유체 밀봉 죠인트 51를 따라서 단부끼리 (end to end) 위치된 2개의 분리식 밀폐단부의 중공형 실린더들로서 이루어질 수 있고, 혹은 하나의 단일 긴 중공형 실린더가 사용될 수 있고, 상기 단일 실린더의 양단 사이의 중앙에 밀봉 디스크가 구비되어 유체 밀봉 죠인트를 형성함으로서 상기 유입헤더부와 배출헤더부사이의 유체흐름을 막고, 상기 양 부분의 단부들이 밀봉처리되는 구조가 사용되어질 수 있다. 다른 구조들도 가능하며: 예를들면 상기 헤더중의 하나가 다른 하나에 대하여 수직 혹은 수평으로 편심(offset)되어질 수 있다. 상기 헤더 40,44들은 어떠한 적절한 재료들로도 제작가능하다. 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리프로필렌, 혹은 폴리 에틸렌과 같은 플라스틱 재료들이 상기 헤더들을 경량으로 제작하는 데에 바람직하며, 물론 금속도 사용가능함은 물론이다. 상기 헤더들은 바람직하게는 좌굴(buckling)없이 열교환부재의 중량을 지지하기에 충분할 정도로 견고하다.
상기 도시된 제 1 열교환 부재 16들 각각은 또한 중앙의 길이방향 축 50을 갖는 하부 연결 헤더 48도 포함한다. 이 하부 연결헤더 48는 유입 헤더 40와 배출 헤더 44로부터 이격되어 있고, 그 중앙 길이방향 축 50이 상기 유입 및 배출 헤더 40,44의 중앙 길이방향축 42,46에 평행이다. 이는 상기 유입 및 배출헤더와 동일 재료들로 이루어질 수 있으며, 밀봉 단부들을 갖는 실린더형상으로 이루어질 수 있다. 상기 하부 연결헤더 48는 상기 열전달 유체 29용 흐름통로의 일부이다.
상기 도시된 제 1실시예에서, 모든 헤더 40,44,48들이 열교환 분배기 패널 52에 연결된다. 상기 도시된 연속적인 열교환 분배기 패널 52은 탱크 12내에서 상변화 물질 14에 접촉되는 연속적인 대향면 54,56들을 갖는다. 상기 열교환 분배기 패널 52의 상단부 58는 유입헤더 40와 배출헤더 44에 연결되고, 그 하단부 60는 하부연결헤더 48에 연결된다. 다수개의 튜브형 유체 통로 62가 상기 대체로 연속적인 대향면 54,56사이의 연속적인 열교환 분배기 패널 52내에 형성되며, 상기 튜브형 유체통로 62는 상기 거의 연속적인 대향면 54,56의 적어도 일부분들을 형성한다.
본 실시예에서, 상기 튜브형 유체통로 62는 직선형이고, 유입헤더 40, 배출헤더 44 및 하부 연결헤더 48의 중앙 길이방향 축 42,46,50과 동일 평면에 놓인 평행의 중앙 길이방향 축 64을 갖는다. 상기 제 1실시예에서 튜브형 유체통로 62는 다수의 직선 튜브형 유입통로 65와 다수의 인접한 직선 튜브형 배출 통로 66 및, 상기 열교환 패널 52의 연속적인 표면 54,56사이의 모든 것들을 포함한다. 도 2-3에 도시된 바와 같이, 인접한 튜브형 통로 62들은 그 전체 길이를 따라서 서로서로 측방으로 연결되고, 하나의 튜브형 유입통로 65가 그 전체 길이를 따라서 하나의 인접한 튜브형 배출 통로 66에 측방으로 연결되어 열교환부재의 연속적인 대향면 54,56들을 형성한다. 상기 튜브형 통로 62들은 도시된 바와 같이 종래의 수단을 통하여, 예를들면 각각의 튜브들을 접착재료를 사용하여 부착시키거나, 튜브 그룹을 함께 사출(extrude)하거나, 혹은 예를들면 진공성형(vacuum forming)함으로서 측방향으로 연결되어질 수 있다. 만일, 상기 분배기 패널 52 혹은 열교환부재 16의 통로 62들이 폴리 프로필렌으로 이루어진다면, 신장된 각각의 튜브들은 열융합(heat fusion)에 의해서 측방향으로 연결되어질 수 있고; 만일 PVC로 이루어진다면, 신장된 개별적인 튜브들은 아교(glue)등으로 서로 연결될 수 있다. 적절한 경량의 플라스틱 재료들로 예비 제작된(preformed) 시트들이 진공 성형되어질 수 있고, 이하에서 설명되는 바와 같이, 도 9의 실시예에 대하여 서로 접합될 수 있다. 만일, 상기 헤더 40,44와 패널 52들이 금속으로 이루어진다면, 표준 연결방법이 사용가능하다. 따라서, 여하한 연결방식도 각각의 튜브에 사용되어지는 재료에 따라서 사용되어질 수 있다. 상기 패널에 측방향으로 연결되는 통로의 수는 변경가능하고: 예를들면, 20, 50, 100 혹은 그 이상의 튜브들일 수 있으며, 각각의 튜브들은 인접한 튜브 혹은 튜브들에 측방으로 연결된다.
상기 튜브형 통로 62가 도시된 바와 같이 단면으로 반드시 원형일 필요가 없다는 것을 알수 있을 것이다. 상기 분배기 패널 52의 대향면 54,56들이 전체적으로 연속적이기 보다는 대체적으로 연속적일 수 있으며: 이는 인접한 튜브형 통로 62들 사이에 혹은 분배기 패널 52상의 다른 위치에서 다소의 단절(breaks)이 존재할 수 있지만, 상기 인접한 튜브형 통로들은 바람직하게는 그들의 길이의 대부분을 따라서 측방향으로 연결되는 것임을 알 수 있을 것이다.
또한, 상기 열교환부재 16의 전체가 상변화 물질 14내에 반드시 잠겨야 할 필요는 없다. 상기 유입 및 배출헤더 40,44들은 예를들면, 상변화물질의 레벨위에 위치되어질 수 있다. 몇몇 적용예에서, 상기 통로 62의 단지 일부분들이 상변화물질 14 내부에 잠겨질 것이고, 이러한 경우에는 상기 인접한 통로들 사이의 측방향 연결이 바람직하게는 상기 상변화 물질내에 잠겨진 상기 통로 길이의 적어도 상당부분을 따라 형성된다.
각각의 튜브형 유입통로 65는 유체 연결되어지도록 유입 헤더 40와 하부 연결헤더 48에 연결되어지고, 각각의 튜브형 배출 통로 66는 유체 연결되도록 배출헤더 44와 하부 연결헤더 48에 연결된다. 따라서, 도 2에서 67로 번호가 부여된 흐름통로가 상기 열전달 유체 29를 위하여 제공된다. 상기 흐름통로 67는 유입헤더40로부터 유입통로 65로 통하고, 상기 유입통로 65를 통하여 하부 연결헤더 48까지의 하향 흐름 통로 69, 상기 하부 연결헤더를 통한 연결흐름통로 71 및, 상기 배출 통로 66를 통한 배출헤더 44까지의 상부흐름통로 73들을 포함한다. 따라서, 상기 열전달 유체는 유입 및 배출 통로 65,66내에서 반대방향으로 흐른다.
상기 통로 62와 헤더 40,44,48사이의 연결은 상기 헤더 40,44,48들에 형성된 서로 일치하는 구멍들 혹은 긴 구멍들을 통하여 상기 열교환 분배기 패널 52의 단부 58,60들을 수용하도록 제작되고, 유체밀봉 연결을 제공하도록 적절한 밀봉재료들이 함께 사용 가능하다. 상기 밀봉재료와 방법들은 헤더들과 열교환부재 16에 사용되어지는 재료에 따라서 선택되어야만 하고; 만일 폴리프로필렌이 사용된다면, 상기 밀봉은 열융합(heat fusion)을 통하여 이루어질 수 있으며; 만일 PVC가 사용된다면, 아교등이 사용가능하다. 상기 열교환 분배기 패널 52은 Ford et al.등에게 부여된 미국특허 제 4,098,331호(1978)에 개시된 태양열 에너지 수집판넬이 사용되어질 수 있고, 상기 특허에 개시된 바와 같이 그리고 상기 특허에 개시된 재료들로서 제작되고 조립되어질 수 있으며, 그것의 개시내용은 여기에 그 전체적으로 참조로서 기재되어 있다.
상기 도시된 제 1열교환 부재 16의 유입 및 배출 통로 65,66 모두는 신장된 실린더들을 갖는 원형 단면의 내벽들을 갖는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 도시된 제 1열교환부재 16의 대향면 54,56들은 상기 유입 및 배출 헤더 40,44와 하부 연결헤더 48사이의 길이를 따르는 평행 오목부(valleys) 70와 둥근 볼록부(ridges) 72들을 갖는다. 상기 둥근 볼록부 72들은 튜브형 통로 62의 형상에 일치하고, 상기 오목부 70는 인접한 튜브형 통로사이의 측방 연결부에 일치한다. 따라서, 상기 도시된 제 1실시예의 열교환 부재 16의 열교환 분배기 패널 52의 대향면 54,56들은 주름진 외관을 갖는다. 그러나, 본 발명은 이러한 분배기 패널에 제한되지 않는 다는 것을 알수 있다. 도 14-16에 도시된 바와 같이, 상기 열교환 부재 16의 대향면 54,56들은 대신 예를들면 평편형으로 이루어지고, 원형의 단면 혹은 그밖의 다른 형상을 가진 내부 튜브형 통로 62를 구비할 수 있다.
상기 도시된 제 1실시예에서, 상기 튜브형 유입 및 배출 통로 65,66들은 대략 1/4인치의 외경을 가지고, 대략 1/32인치의 벽두께를 가지며, 대략 3/16인치의 내경을 갖고; 도 3, 13 및 15에서 68로 도시된 바와 같이, 인접한 통로 62들의 중앙 길이방향 축 64사이의 거리가 튜브의 외경 혹은 크기의 대략 95-100%사이인 것이다. 이와는 다른 크기 혹은 두께의 것이 사용 가능함을 알 수 있다. 예를 들면, 상기 튜브형 통로는 0.15인치의 외경과 10-40밀리의 벽두께를 가질 수 있다. 비록 상기 실린더형 튜브 통로가 구조적인 강도에서 바람직하지만, 상기 튜브형 통로 이외의 다른 형상이 사용될 수 있다.
열저장장치용 열교환 부재 16의 제 2실시예가 도 8에 도시되어 있다. 상기 제 1실시예에서 사용되었던 동일 부분에 대해서는 동일한 참조부호가 사용되었음을 알 수 있다. 도 8에서, 동일한 2개의 열교환 요소들이 16a와 16b로 도시되어 있고, 이러한 열저장장치는 도 1의 실시예에 도시된 바와 같은, 부가적인 요소들을 포함할 수 있음을 알 수 있다. 하나의 열교환 부재 16에 대하여 이하에서 상세히 설명될 것이며, 이는 이하의 설명이 상기 열저장장치의 나머지 열교환 부재에도 잘 적용될 것임을 알 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 열교환 부재 16는 유입헤더 40와 유입도관 28을 갖는 유입구 24와, 배출헤더 44와 배출 도관 32을 갖는 배출구 26들을 갖는다. 도 8의 실시예는 대향한 거의 연속면 54,56들을 갖는다. 그리고, 다수개의 선형 통로 62들도 갖는다. 상기 유입 헤더 40는 상기 중앙 수직축 22의 일측상에 형성되고, 출구 헤더 44는 수직축 22의 다른 측면상에 형성된다. 상기 통로 62는 선형 유입통로 65와 선형 배출통로 66를 갖는다. 본 실시예에서, 상기 흐름통로 67는 상기 유입헤더 40로부터 이격된 제 1하부 연결헤더 147, 상기 유입헤더 40와 배출헤더 44사이의 상부 연결헤더 149, 상기 유입헤더 40, 배출헤더 44 및 상부 연결헤더 149로부터 이격된 제 2하부 연결헤더 151 및, 연결통로 152를 포함하는 통로 62들을 갖는다. 상기 유입헤더 40와 배출헤더 44의 길이방향 축 42,46들은 공통의 직선형(co-linear)이며, 상부 연결헤더 149는 이러한 축들을 공유한다. 상기 유입통로 65들은 서로에 대하여 인접하고, 유입헤더 40를 제 1하부 연결헤더 147에 연결한다. 상기 제 1하부 연결헤더 147는 제 1하부 연결헤더 147와 상부 연결헤더 149들을 연결하는 인접한 연결통로 152의 제 1그룹에 유체 연결된다. 상기 연결통로 152의 제 2그룹은 서로들에 인접하고 상부 연결헤더 149와 제 2하부연결헤더 151들을 연결한다. 상기 배출통로 66는 제 2하부 연결헤더 151와 배출헤더 44들을 연결한다.
도 8의 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2하부 연결헤더 147,151들은 유체밀봉 죠인트 153, 밀봉 디스크 혹은 그와 유사한 것들에 의해서 분리되고, 유입헤더 40와 상부연결헤더 149 및 상부연결헤더 149와 배출헤더 44등에 유사하다. 도 8의 실시예는 열전달 유체의 보다 회절된(convoluted) 이동통로를 제공하고, 상기 흐름통로는 상기 상부 및 하부 연결헤더들을 더욱 분할함으로서 더욱 개조될 수 있다. 상기 도시된 흐름통로 67는 열교환 유체 29용 하향 흐름통로 69, 연결흐름통로 71 및 상향 흐름통로 73 들을 포함한다. 상기 유입통로 65에서의 흐름방향은 배출통로 66에서의 흐름방향의 반대이다. 도 8의 실시예에서 열교환 부재들은 상기 제 1실시예에서 관련하여 설명된 바와 같이 적절한 플라스틱으로 제작될 수 있고, 상기 헤더들은 도 1의 실시예에서와 같이 제작될 수 있다. 그리고, 상기 통로들은 도 3에 도시된 바와 같은 것과 유사한 단면들을 가질 수 있으며; 다르게는, 평편형의 패널들이 도 14-16에 도시된 바와 같이 사용 가능하여 상기 거의 연속적인 대향면 54,56들이 거의 평면으로 이루어질 수 있다.
열저장 장치용 열교환 부재 16의 다른 실시예들이 도 9에 도시되어 있다. 상기 설명된 제 1 및 제 2실시예들에서와 같이 동일 부분에는 동일 참조부호들이 사용되었음을 알 수 있다. 도 9에서, 16a, 16b등으로 부호가 부여된 2개의 동일한 열교환 요소들이 제공되며, 상기 열저장장치는 예를들면 도 1에 도시된 바와 같은 실시예의 부가적인 요소들을 포함할 수 있는 것이다. 상기 열교환 부재 16중의 하나가 이하에서 상세히 설명될 것이지만, 이는 상기 열저장장치내의 나머지 열교환 부재에도 동일하게 적용될 것임을 알아야 하며, 비록 상기 제 1 및 제 2실시예에서는 번갈아 배치된(alternate) 열교환 부재들이 탱크내에서 180°회전되어 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 각각의 열교환 부재 16는 유입도관 28을 갖는 유입구 24와, 배출도관 32, 대향한 거의 연속적인 면 54,56 및 유입구 24로부터 배출구 26사이의 흐름통로 67를 형성하는 다수개의 튜브형 통로 62들을 갖는 배출구 26를 구비한다. 본 실시예에서, 상기 튜브형 통로 62들은 상기 유입도관 28과 배출도관 32사이에서 단부끼리(end-to-end) 연결되어 단일의 연속적인 흐름통로를 제공한다. 상기 도시된 실시예에서, 상기 단일의 연속 흐름통로는 사형부(serpentine section)를 갖는 회로패턴을 갖는다. 상기 흐름통로 67는 열전달 유체용 하향흐름통로 69, 연결흐름통로 71 및 상향흐름통로 73들을 갖는다. 상기 유입통로 65에서의 흐름의 하향방향은 배출통로 66에서의 흐름의 상향방향에 반대된다. 플라스틱 재료의 웨브(web) 200가 상기 흐름통로 67내의 통로 62의 부분들 사이를 연장한다. 그리고, 상기 통로 62와 웨브 2000는 분배기 패널 52을 포함하고, 상기 유입도관 28과 배출 도관 32등이 각각의 패널의 일부로서 형성된다.
도 9의 실시예에서, 상기 튜브형 통로 62는 고정위치에 예비 조립되고(pre-formed), 상기 튜브형 통로의 내부연결부들이 다른 방향으로 배치된다. 상기 도 9의 실시예는 어떠한 적절한 재료들로서, 예를들면 진공 성형(vacuum formed)되고 서로 접착되어진 PVC 혹은 플라스틱들로서 제작되어 각각의 열교환 부재 패널들을 생산할 수 있다.
상기 열저장 장치 10에서 열교환 부재 16의 제 4 실시예가 도 10-12에 도시되어 있다. 상기 설명된 제 1, 2 및 제 3실시예에서와 같이 동일 부분에는 동일 참조부호들이 사용되었음을 알 수 있다. 도 10-11에서, 16a, 16b등으로 부호가 부여된 2개의 동일한 열교환 요소들이 제공되며, 상기 열저장장치는 예를들면 도 1에 도시된 바와 같은 실시예의 부가적인 열교환 요소들을 포함할 수 있음을 알 수 있다. 상기 열교환 부재 16중의 하나가 이하에서 상세히 설명되어 있지만, 이는 상기 열저장장치내의 모든 열교환 부재에도 동일하게 적용될 것임을 알 수 있다.
상기 제 4실시예에서는 각각의 열교환 부재 16가 유입헤더 40를 갖는 유입구 24와 배출 헤더 44를 갖는 배출구 26를 갖는다. 그리고, 상기 열교환 부재는 거의 연속적인 대향면 54,56을 형성하고, 유입구 24로부터 배출구 26로 향하는 흐름통로 67를 형성하는 다수개의 튜브형 통로 62들을 갖는다. 상기 통로 62는 직선형 유입통로 65와 직선형 배출통로 66를 구비한다. 상기 유입통로 65와 유입헤더 40는 공통 수직 평면 300상에 놓여지는 중앙 길이방향 축 64,42들을 갖추고, 상기 배출통로 66와 배출 헤더 44는 도 11에 도시된 바와 같이, 유입통로의 평면 300으로부터 이격되고 평행으로 유지되는 하나의 공통 수직 평면 302내에 놓여진 중앙 길이방향 축 64,42들을 갖는다. 비직선형의 연결 유체통로 304가 상기 유입통로 65와 배출 통로 66사이에서 연장한다. 도 11의 측면도에서와 같이, 비선형 연결통로 304는 일반적으로 U형상으로 이루어지지만, 이러한 연결통로들은 다른 형상의 것이 사용될 수 있는 것이다. 상기 유입 및 배출 통로 65,66들은 적어도 그들 길이의 거의 대부분을 따라서 측방향으로 연결되어 유입분배기 패널 52i과 연결통로들에 의해서 결합된 이격된 배출 분배기 패널 52o등을 형성한다. 상기 도시된 실시예에서, 연속적인 튜브 306는 각 유입구, 연결 및 배출 통로 65,304,66등을 형성하고, 인접한 연속 튜브 306는 그들 전체 길이들을 따라서 측방향으로 연결된다. 다수의 측방향으로 연결된 튜브 306들은 각각 분배기 패널 52을 형성한다.
상기 제 1실시예에서와 같이, 도 13에서 인접한 유입통로 65의 중앙 길이방향 축 64과 인접한 배출통로 66의 중앙 길이방향 축 64사이의 거리는 튜브의 외경 혹은 크기의 95-100% 사이이다. 그리고, 제 1실시예에서와 같이, 상기 도시된 제 4 열교환 부재 16의 대향면 54,56들은 상기 유입 및 배출 헤더 40,44사이의 길이를 따르는 평행 오목부(valleys) 70와 둥근 볼록부(ridges) 72들을 갖는다. 상기 둥근 볼록부 72들은 튜브형 유입 및 배출통로 65,66들의 형상에 일치하며, 오목부 70는 서로 인접한 튜브형 통로들 사이의 측방 연결구조들에 일치한다. 따라서, 상기 도시된 제 4실시예의 열교환 부재 16의 열교환 분배기 패널 52의 대향면 54,56들은 주름진 외관을 갖는다.
도 10-12에 도시된 열교환 부재 16의 측방 연결 튜브 306들은 플렉시블한 재료로 이루어진다. 상기 튜브 306의 상부는 유입헤더 40에 연결가능하고, 상기 튜브의 하부는 제 1실시예에 설명된 동일한 방법으로 배출 헤더 44에 연결가능하다. 상기 유입 및 배출 헤더는 제 1실시예에서 설명된 것과 동일한 재료로서 이루어지고, 상기 열교환 부재의 전체 중량을 충분히 지지할 수 있을 정도로 견고한 것이 바람직하다. 각각의 열교환 부재 16는 Ford et.al에게 부여된 미국 특허 제 4,098,331호(1978)에 개시된 것과 같은 태양 에너지 수집 패널일 수 있고, 상기 특허에서 개시된 바와 같이 제작되고 조립되어질 수 있으며, 상기 특허에서 개시된 재료들일 수 있다. 상기 플렉시블 패널(Flexible Panel)은 상기 배출 헤더 44를 유입헤더 40 측으로 상승시켜 거의 반으로 접혀질 수 있고, 상기 패널이 접혀지는 경우, U형의 연결 통로 304들을 형성한다. 상기 유입 및 배출 튜브형 통로들의 적절한 위치조정을 보장하기 위하여, 다수개의 스페이서 판(Spacer Plates) 308들이 제공된다. 상기 스페이서 판 308들은 동일한 열교환 부재 16a 혹은 인접한 열교환 부재 16b의 튜브형 배출통로 66로부터 필요한 거리에 상기 튜브형 유입통로 65를 유지한다. 상기 스페이서 판 308들은 상기 튜브형 통로 62와 탱크 12의 측벽들 사이에서 원하는 이격을 유지하도록 그 크기가 정해지고 형상을 가질 수 있다. 상기 스페이서 판 308은 아연도금 철판 혹은 스테인레스 판 혹은 그밖의 적절한 재료들의 금속으로 이루어질 수 있다.
2개의 열교환 부재 16a, 16b들을 갖는 열교환 장치의 다른 제 5실시예가 도 17에 도시되어 있다. 도 17의 실시예에 도시된 각각의 열교환 부재 16a, 16b들은 상기 튜브형 유입통로 65와 튜브형 배출 통로 66들이 직선이 아닌 것을 제외하고는 도 11-13의 제 4실시예에 도시된 바와 같은 열교환 부재에 유사하지만, 일정각도로서 단부끼리 연결된 다수개의 직선 부분(segments) 400들을 포함한다.
2개의 열교환 부재 16a, 16b들을 갖는 열교환 장치의 다른 제 6실시예가 도 18에 도시되어 있다. 도 18의 실시예에 도시된 각각의 열교환 부재 16a, 16b들은 상기 튜브형 유입통로 65와 튜브형 배출 통로 66들이 곡선부 450를 포함하여 상기 유입 및 배출 통로들의 중심선 64들 사이의 거리가 균일하게 유지되지 않는 것을 제외하고는 도 11-13의 제 4실시예에 도시된 바와 같은 열교환 부재에 유사하다.
이 모든 실시예에서, 각각의 도시된 열교환 부재 16들은 탱크의 수직 벽 18들로부터 이격된 측방 모서리 74들과, 탱크의 하부 19로부터 이격된 하부 75들을 갖는다. 상기 액상 변화물질 14은 열교환 부재의 측방 모서리 74와 하부 75들 주위를 흐를 수 있다. 도 1과 8의 실시예에서, 상기 하부 75는 하부 연결헤더 48의 하부와 하부 연결헤더 147,151에 의해서 규정된다. 도 9에 도시된 실시예에서, 상기 하부 75는 웨브 200의 모서리에 의해서 형성된다. 도 11-12 및 17-18의 실시예에 있어서, 상기 하부 75는 비 직선형의 연결통로 304의 최하단부에 의해서 형성된다.
본 발명의 열저장장치 10의 각 실시예들은 열교환 부재 16a,16b의 측방 모서리 74, 하부 75 및 연속면 54,56에 의해서 경계지워지는 탱크내의 체적(volumes) 77을 갖는다. 상기 제 1 및 제 4실시예에 대하여, 이러한 체적들은 7A 및 7B에 각각 도시되어 있고; 제 3실시예에 대해서는, 이러한 체적은 도 7에 도시되어 있으며; 제 2실시예에 대하여, 이러한 체적 77은 제 1실시예에 대하여 도 7A에서 도시된 바와 같은 것과 유사할 것이다. 각각의 경우에서, 이러한 체적 77은 상변화 물질 14을 유지하고, 상변화 물질의 이러한 체적 77들은 열교환 부재의 연속적인 면 54,56에 의해서 서로서로 분리된다. 그리고, 상기 제 1열교환 부재 16a의 연속면 54의 하나를 따르는 상기 상변화 물질의 체적 77도 상기 인접한 열교환 부재 16b의 측방 모서리 74, 하부 75 및 하나의 연속면 56에 의해서 경계지워지며; 따라서, 도 7 및 7A에 도시된 바와 같이, 하나의 열교환 부재 16a의 하나의 표면 54을 따르는 하나의 체적 77은 인접한 열교환 부재 16b의 마주하는 면 56을 따르는 체적 77에 일치하며; 도 7B에 도시된 바와 같이, 하나의 열교환 부재 16a를 따르는 체적 77은 다음의 인접한 열교환 부재 16b를 따르는 체적 77에 일치한다. 도 10-12에 도시된 실시예에서, 각각의 개별적인 열교환 부재의 측방 모서리 74, U 형의 튜브와 연속면 54,56에 의해서 도 7B와 11에 도시된 바와 같이, 경계지워지는 탱크내의 상변화 물질 14의 체적 79도 있다. 도 17-18의 제 5 및 제 6실시예에 대하여는, 도 7B에 도시된 것과 유사한 상변화물질의 체적 77,79이 있을 것이며, 이들의 형상은 이러한 실시예들의 통로 65,66들의 형상에 일치할 것이다.
도 5,7,7A,7B 및 16에 도시된 바와 같이, 이러한 체적 77,79의 상변화 물질들이 고체 형상으로 변화하는 경우, 상기 고체 상변화물질은 고체 시트 혹은 상기 고체 시트로부터 거의 분리되거나 혹은 고립된(isolated) 상기 제 1열교환 부재 16a의 일표면 54을 따르는 체적 혹은, 상기 열교환 부재 16a의 나머지 대향면 56을 따르는 고체 상변화 물질의 체적을 형성한다. 따라서, 이러한 모든 실시예에서, 상기 열교환 부재 16는 상변화 물질 14이 튜브형 통로 62를 감싸는 고체 고리(a solid annulus)를 형성하지 못하도록 한다. 상기 도시된 실시예에서, 이러한 고립은 이들 통로들과 함께, 열교환 부재 16의 거의 연속적인 대향면 54,56들을 형성하는 통로들 사이의 측방향 연결부를 통하여 달성된다. 상기 4개의 도시된 실시예들의 다양한 요소들이 몇몇의 통로들을 서로 직접 연결하거나 혹은 몇몇 다른 영역내에 연결웨브들을 제공함으로서 조합되어질 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 상기 튜브형 통로 62의 주위에 고체 상변화 물질의 고리가 형성되는 것을 유익하게 방지한다. 이러한 이점은 도 4,4A를 도 5,5A,16 및 16A에 비교함으로서 알 수 있다. 도 4에서와 같이 상변화 물질로서 물이 사용되어지는 불연속 튜브 80를 사용하는 열저장장치에서는 얼음형성 싸이클 도중에, 상기 물은 얼음으로 결빙하여 상기 열교환기의 각각의 튜브를 감싸는 고형 고리 82를 형성한다. 상기 고리 82의 용융점이상으로 열전달 유체가 용해싸이클의 개시시에 열교환 튜브 80내로 유입되는 경우, 상기 튜브 80의 표면에 가장 근접한 얼음이 먼저 녹기 시작하고, 용해작용은 방사상 외측으로 지속하여 액상변화 물질 84의 고리가 상기 얼음 고리 82와 튜브 80사이에 형성되고, 도 4A에 도시된 바와 같이 얼음으로부터 열전달 유체를 분리시킨다. 물의 경우에, 상기 액체 물의 열저항은 얼음에 비하여 대략 4배이다. 따라서, 상기 물 84 고리의 열저항은 튜브 80내의 열전달 유체와 얼음 82의 이격된 기둥(column) 사이의 열교환 효율을 감소시킨다. 도 4A의 열저항 현상은 다음의 수식으로 결정될 수 있으며,
R=[ro/12k]ln[ro/ri]
여기서 k=물의 열전도도(thermal conductivity), Btu/(hr)(ft2)(f/ft), ro= 물고리 84의 외부 반경( 도 4A에 도시된 Do의 절반) 및 ri= 열교환 튜브 80의 외부 반경( 도 4A에 도시된 Di의 절반)이다. 1/4인치의 튜브 직경에 대하여, 최초 5/8인치 두께의 얼음의 1/4인치가 녹았다고 가정하면, 상기 Di의 값은 0.250인치이고, 상기 Do의 값은 0.75인치이다. 따라서, 상기 열저항 R1은 :
R1= [0.375/12k]ln[0.375/0.125]
R1= 0.03433/k
이에 비하여, 본 발명의 열교환 분배기 52로서는 도 5 및 16에 도시된 바와 같이, 얼음의 고리대신에 도 5에 도시된 바와 같은 열교환 부재의 측방 모서리 74 혹은 열교환 부재의 하부(미도시)만을 따라서 연결된 열교환 부재 16의 연속 표면 54,56에서 형성된 얼음 혹은 고체상 변화 물질의 시트 혹은 체적 86,87이 존재한다. 상기 얼음 시트 86,87의 용융점 이상의 열전달 유체 29가 용해 싸이클의 개시시에 상기 열교환 부재 16로 유입되는 경우, 상기 튜브 표면 54,56에 가장 근접한 얼음이 먼저 녹고, 이러한 용해 작용은 외부로 지속하여 상기 액상변화 물질의 층 88,89들이 고리 대신에 도 5A 및 16A에 도시된 바와 같이 형성한다. 상기 얼음 86,87의 시트 혹은 체적들과 액상층 88,89들은 열교환 부재 16의 거의 연속적인 대향 면 54,56에 의해서 각각 서로 분리된다. 계산의 간략화를 위하여, 도 16A의 실시예는 아래의 열저항의 계산을 위해서 사용되지만, 상기 도 5A의 실시예의 열저항도 동일한 방식으로 추정될 수 있음을 알 수 있다. 도 16A의 실시예에 대하여, 상기 열저항은 아래의 수식을 통하여 결정될 수 있다:
R2= t/12k
여기서, t 는 물 층의 두께( 도 16A 참조), 그리고 k = 물의 열전도도이다. 최초 5/8인치 두께의 얼음의 1/4인치가 녹았다고 가정하면, 그러면:
R2= 0.25/12k = 0.0208/k
그리고: R2/ R1= 0.605
따라서, 본 발명의 열저항은 용해싸이클의 도중에 동등점(equivalent points)에서 종래의 열저항보다 낮다. 본 발명의 실제적으로 낮은 열저항 R2로서, 통로 62내의 열전달 유체 29와 인접한 체적 77,79내의 고체상변화 물질 혹은 얼음사이의 열전달이 향상되고, 이러한 열전달은 용해싸이클의 보다 긴 부분에 걸쳐서 효과적인 것으로 기대될 수 있다. 상기 열전달 유체와 얼음 사이의 개선된 열전달로서, 상기 열전달 유체는 비록 전체 용해싸이클에 해당되지 않더라도, 심지어는 물의 층이 얼음과 상기 통로 62내의 열전달 유체를 분리시킨 후에도 용해싸이클의 보다 긴 부분에 걸쳐서 최적의 온도로 냉각되어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 열저장장치의 에너지 저장능력을 향상시킬 수 있고, 용해싸이클의 보다 긴 부분에 걸쳐서 상기 배출구를 나가는 열전달 유체의 온도가 상승되는 것을 방지하는 것이다.
상기 얼음과 열전달 유체사이의 열저항을 제한하는 이점은 용해싸이클 도중에 튜브와 얼음사이의 단열 물층의 두께를 더욱 제한함으로서도 향상되어질 수 있다. 용해싸이클 도중에 액상 변화물질내에서 얼음이 상부로 뜨는 성질을 이용하여, 상기 열교환 부재는 상부로 뜨는 얼음이 열교환 부재 16의 대향면 54,56중의 어느 하나에 근접하거나 접촉하도록 된 형상으로 이루어질 수 있다. 예를들면, 유체통로 62의 수직으로 배치된 길이방향 축 64 대신에, 상기 길이방향축들은 도 17에 도시된 바와 같이 상기 열교환 부재를 열성형(heat forming)함으로서 혹은 예를들면 스페이서 혹은 지지요소의 사용을 통하여 평행한 지그-재그 혹은 굴곡진 패턴으로 설정되어질 수 있다.
다르게는, 상기 유입 및 배출 튜브형 통로의 몇몇 부분들이 도 18에 도시된 바와 같이, 평행이 아닌 다른 간격으로서 설정될 수 있다.
그리고, 본 발명은 공간의 효과적인 사용을 이룰 수 있으며, 본 발명의 얼음형성 싸이클중에 형성된 고체상변화 물질 혹은 얼음의 형상을 최적화함으로서 상기 용해싸이클 도중에 배출구를 빠져 나가는 열전달 유체의 온도가 상기 배출구 근방에서 상승하는 것을 방지한다. 상기 도시된 실시예에서, 얼음의 보충적인 시트들이 얼음형성 싸이클 도중에 형성되어 얼음으로 상기 유용공간들을 거의 채우게 된다.
도 1A 및 도 10-11에 도시된 바와 같이, 적어도 열교환 부재 16a 혹은 16b의 어느 하나의 유입통로 65가 적어도 배출통로 66의 한 세트에 인접하여 상기 제 1실시예에서는 2 세트의 배출통로 66사이에 배치되고; 제 1실시예에 대하여, 상기 유입통로 65들은 2개의 다른 열교환 부재들의 배출 통로사이에 위치되며; 도 10-13 및 17-18의 제 4,5 및 6실시예들에 대해서는, 하나의 열교환 부재의 유입통로 65가 그 자체의 배출 통로 66와 상기 인접한 열교환 부재의 배출통로사이에 위치된다.
상기와 같이 배치된 유입 및 배출 통로 65,66로서, 상기 열전달 유체 29는 일방향으로, 즉 제 2 열교환 부재 16b의 유입통로내에서 하향으로 흐르고, 상기 제 1열교환 부재 16a내의 가장 가까운 배출통로내에서는 다른 방향 즉 상향으로 흐르며, 인접한 열교환 부재들의 연결흐름 통로 71내에서의 흐름방향은 임의의 수직레벨에서 서로 반대방향이다. 각각의 열교환기 부재내에서, 유입통로내의 흐름 방향은 배출통로내에서의 흐름방향의 반대이다. 열교환 부재 16a,16b의 서로 이격된 대향면 54,56 사이의 체적 77에서의 상변화 물질 14은, 따라서 일측에서 상기 유입통로 65내의 가장 찬 열전달 유체의 영향(effects)에 노출되고, 타측에서 배출 통로 66내의 가장 더운 열전달 유체의 영향에 노출된다. 상기 얼음 형성 싸이클 도중에, 얼음 혹은 고체상 변화물질의 보다 두꺼운 시트 혹은 체적이 가장 찬 열전달 유체를 따라서 형성되고, 보다 얇은 시트 혹은 체적들이 상기 보다 더운 열전달 유체를 따라 형성된다. 따라서, 도 7, 7A 및 7B에 도시된 바와 같이, 얼은 86,87의 보충적인(complementary) 시트 혹은 체적들이 얼음형성 싸이클 도중에 형성된다.
인접 패널 52, 52i, 52o의 유입 및 배출 통로내의 열전달 유체 29의 상대 온도들은 아래와 같은 것이다: 도 1A,8,9,11 및 17-18내에 도시된 평면 100과 같이, 상기 제 1열교환 부재 16a의 유체통로 62중의 하나의 중앙 길이방향 축 64을 통하여 그리고 제 2열교환 부재 16b 의 유체통로 62중의 어느 하나의 중앙 길이방향축 64을 통하여 수직으로 연장하는 한 평면을 따르면, 상기 열교환 부재 16a 혹은 16b중의 적어도 하나의 유체통로 62내에서 상기 평면 100내의 열전달 유체의 평균온도가 상기 가장 가까운 열전달 부재 16a 혹은 16b내의 유체통로 62중의 적어도 어느 하나내의 상기 평면내의 열전달 유체의 평균 온도보다 낮다. 따라서, 도 1A내에서, 얼음형성 싸이클 도중에, 평면 100내의 열교환 부재 16r의 유입통로 65내의 열전달 유체의 평균 온도는 인접한 열교환 부재 16q의 배출통로 66내의 열전달 유체의 평균 온도보다 낮다. 도 8에서, 상기 얼음형성 싸이클 동안, 평면 100내의 열교환 부재 16a의 유입통로 65내의 열전달 유체의 평균온도는 제 2열전달 부재 16b내의 가장 가까운 배출통로 66내의 상기 평면내의 열전달 유체의 평균온도보다 낮다. 도 9의 실시예에서, 상기 평면 100은 수직이며 그리고 제 1열교환 부재내의 연속적인 통로의 수직부를 통하여 그리고 제 2열교환 부재 16b내의 만곡된 통로를 통하여 연장하고; 상기 얼음형성 싸이클동안, 상기 제 1열교환 부재 16a의 수직부에서의 열전달 유체의 평균온도는 제 2열교환 부재 16b의 만곡부내의 열전달 유체의 평균온도보다 낮을 것이다. 도 11 및 17-18의 실시예에서, 얼음형성 싸이클 도중에, 평면 100내의 제 2열교환 부재 16b의 하향으로 향한 유입통로 65내의 열전달 유체의 평균온도는 상기 평면 100내에서 상기 열교환 부재 16b와 이에 인접한 열교환 부재 16a의 배출 통로 66내의 열전달 유체의 평균온도보다 낮을 것이다.
상기 제 1, 2, 4, 5 및 6의 도시된 실시예에는, 적어도 2개의 유입통로들과 적어도 2개의 배출통로들이 있다. 하나의 수직레벨, 즉 도 1A,8,11,17 및 18의 실시예에서의 평면 100의 레벨에서 2개의 유입통로 65내의 열전달 유체의 평균온도는 얼음형성 싸이클 동안 도 1A,8,11,17 및 18에 도시된 레벨 101과 같은 수직레벨의 열전달 유체 하향흐름의 평균온도보다 낮다. 상기 얼음형성 싸이클 도중에, 하나의 수직레벨, 즉 도 1A,8,11,17 및 18의 실시예내의 평면 100의 레벨에서 상기 2개의 배출통로 66내의 열전달 유체의 평균온도는 도 1A,8,11,17 및 18내에 도시된 레벨 101과 같은 상기 수직레벨의 상류측의 열전달 유체의 평균온도보다 높은 것이다. 이러한 얼음형성 싸이클도중에, 레벨 100 혹은 레벨 101에서 유입통로 65내의 열전달 유체의 평균온도는 동일레벨에서 상기 배출통로 66내의 열전달 유체의 평균온도보다 낮다. 용해싸이클 도중에, 하나의 수직레벨 즉, 도 1A,8,11,17 및 18의 실시예에서 평면 100의 레벨에서 2개의 유입통로 65내의 열전달 유체의 평균온도는 도 1A,8,11,17 및 18에 도시된 레벨 101과 같은 상기 수직레벨의 하류측의 열전달유체의 평균온도보다 높다. 그리고, 상기 용해싸이클 도중에, 하나의 수직레벨 즉, 도 1A,8,11,17 및 18의 실시예에서 평면 100의 레벨에서 2개의 배출통로 66내의 열전달 유체의 평균온도는 도 1A,8,11,17 및 18에 도시된 레벨 101과 같은 상기 수직레벨의 상류측 열전달유체의 평균온도보다 낮다. 이러한 용해싸이클 도중에, 레벨 100 혹은 레벨 101에서 유입통로 65내의 열전달 유체의 평균온도는 동일레벨에서 상기 배출통로 66내의 열전달 유체의 평균온도보다 높다.
인접 패널 52, 52i, 52o의 유입 및 배출 통로내의 열전달 유체의 상대 흐름방향들은 아래와 같은 것이다: 도 1A,8,9,11 및 17 및 18내에 도시된 평면 100과 같이, 상기 제 1열교환 부재 16a의 유체통로 62중의 하나의 중앙 길이방향 축 64을 통하여 그리고 제 2열교환 부재 16b 의 유체통로 62중의 어느 하나의 중앙 길이방향축 64을 통하여 수직으로 연장하는 한 평면을 따르면, 상기 열교환 부재 16a 혹은 16b중의 하나의 적어도 한 유체통로 62내에서 상기 평면 100을 통한 열전달 유체의 흐름방향은 상기 가장 가까운 열교환 부재 16a 혹은 16b내의 유체통로 62중의 적어도 어느 하나내의 상기 평면을 통한 열전달 유체의 흐름방향과 다르다. 따라서, 도 1A내에서, 평면 100내의 열교환 부재 16r의 유입통로 65내의 열전달 유체의 흐름방향은 인접한 열교환 부재 16q의 배출통로 66내의 열전달 유체의 흐름방향과는 반대이다. 도 8에서, 평면 100내의 열교환 부재 16a의 유입통로 65내의 열전달 유체의 흐름방향은 제 2열전달 부재 16b내의 가장 가까운 배출통로 66내의 상기 평면 100을 통한 열전달 유체의 온도에 반대이다. 도 9의 실시예에서, 제 1열교환 부재 16a내의 수직부내의 열전달 유체의 흐름방향은 하향이지만, 제 2열교환 부재 16b의 만곡부내의 열전달 유체의 흐름방향은 만곡되고 대체적으로 상방향이다. 도 11, 17 및 18의 실시예에서, 평면 100내의 제 2열교환 부재 16b의 하향으로 향한 유입통로 65내의 열전달 유체의 흐름방향은 상기 평면 100을 통한 상기 열교환 부재 16b와 이에 인접한 열교환 부재 16a의 배출 통로 66내의 열전달 유체의 흐름방향에 반대일 것이다.
이와 같은 온도와 흐름방향의 상관관계는 도 7,7A 및 7B에 도시된 바와 같이, 얼음형성 싸이클 도중에, 고체상변화 물질 혹은 얼음 86,87의 인접한 보충형상의 시트(complementary-shaped sheets)의 형성을 초래한다. 상기 유입구 24와 배출구 26 근방의 큰 얼음 덩어리를 형성하는 얼음 혹은 고체상 변화물질 86,87의 보충 시트들로서, 상기 용해싸이클 도중에 상기 배출통로 66내의 열전달 유체가 차거운 상변화 물질에 지속적으로 노출되도록 한다. 따라서, 용해싸이클 도중에, 상기 열전달 유체는 유체 통로 62를 통한 전체 이동과정을 통하여 차거운 상변화 물질에 노출되어질 수 있는 것이다. 상기 패널들 사이의 얼음 덩어리의 전체 두께가 도 7,7A 및 7B에 90으로서 도시되어 있고, 이러한 얼음 덩어리들은 각각의 열교환 부재의 한 모서리 74로부터 반대측 모서리 74로 향하여, 부호 91로서 도시된 크기를 가로질러서 연장한다. 그리고 이러한 얼음 덩어리는 도 7, 7A 및 7B에서 93의 크기로 도시된 바와 같이, 각각의 열교환 부재의 상부와 하부사이를 연장한다. 이러한 얼음 덩어리들은 도 7 및 7A의 실시예에서와 같이, 이러한 모든 크기들 90,91,93을 가로지르는 균일한 두께를 가질 수 있다. 상기 얼음 덩어리는 크기 90와 91를 가로지르고, 도 7B의 실시예에서와 같이 다른 크기 93의 상당 부분을 가로지르는 균일한 두께를 가질 수 있다. 혹은, 도 18의 실시예의 경우에 있어서, 상기 얼음 덩어리는 균일한 두께 영역과 비균일한 두께영역을 가질 수 있다. 도 7, 7A 및 7B의 실시예에서와 같이, 상기 얼음 덩어리들은 2개의 열교환 부재 16a, 16b의 표면 54,56 사이의 중간 중앙면 92을 중심으로 대칭일 수 있다. 체적 77에서의 전체 얼음 덩어리가 도 7, 7A 및 7B에서 96으로 도시되어 있고, 조합된 얼음시트 혹은 성형물 86 및 87에 동일하다. 도 7B 및 10-12의 실시예에서 상기 유입 및 배출 평면 300,302사이의 체적 79내에 형성된 얼음의 전체 덩어리는 도 7B에 도시된 바와 같이, 이러한 평면 300,302들 사이의 중앙 평면 94을 중심으로 대칭이다. 상기 체적 79내에서의 이러한 얼음 전체 덩어리는 도 7B에서 98로서 도시되어 있고, 이는 체적 79에서 얼음 형성물 86 및 87의 조합된 시트 혹은 덩어리와 동일하다.
상기 얼음의 두께가 반드시 균일할 필요가 없고, 이러한 얼음 덩어리가 단일 평면을 중심으로 대칭일 필요가 없다는 점을 알 수 있다. 예를들면, 도 17의 실시예를 고려하면, 상기 패널 16a,16b사이와, 각각의 패널의 유입 및 배출 통로 65,66사이에 형성된 얼마간의 얼음이 두께에서 거의 균일하고, 몇몇의 부분들은 각각의 비수직 평면(non-vertical planes)을 중심으로 대칭적이라는 것이 예측되어질 수 있다. 도 18의 실시예에 대하여, 상기 유입 및 배출 통로의 만곡부에서 보다 얇은 혹은 두꺼운 얼음 덩어리들의 영역이 형성되어질 것으로 예측될 것이다. 그러나, 상기의 모든 실시예에서는, 얼음의 보충적인 시트들이 배출구 26 주위의 열교환 유체의 가온을 방지하기에 적절하도록, 그리고 상기 유용공간의 효과적인 사용을 이루도록 형성되는 것이다.
도 17-18의 실시예에서, 상기 튜브형 통로 62의 형상은 용해 싸이클 도중에 얼음 형성물 이동의 이점을 취하도록 배치된다. 따라서, 도 17을 고려하면, 상기 유입 및 배출 통로 65,66사이의 얼음이 용해하고 액상변화물질상에서 상부로 떠오르는 경우, 상기 얼음은 배출통로 66에 보다 근접하도록 이동할 것이다. 상기 얼음이 배출통로에 보다 근접하게 이동하면, 상기 얼음과 배출통로내의 열전달 유체사이에서 액상변화물질의 보다 작은 층이 있게 된다. 액상변화물질의 보다 작은 층으로서, 열저항이 낮아지고, 상기 열전달 유체와 상기 고체상 변화물질사이에서 개선된 열전달을 허용하는 것이다. 이와 유사한 효과가 도 18의 실시예에서 기대될 것이다.
필요한 온도와 흐름방향의 상관관계 및 필요한 얼음 형성물들이 도 1-7A 및 8-9의 제 1,2 및 3실시예에서, 인접한 열교환부재들을 그들의 중앙 수직축 22을 중심으로 하여 각각으로 180°회전시킴으로서 얻어진다. 따라서, 상기 제 1,2 및 3실시예에서, 상기 인접한 열교환 부재 16a,16b의 요소들의 위치들이 역전되고: 상기 인접한 열교환 부재 16a, 16b의 유입헤더 40 및 배출 헤더 44의 위치들이 역전되며, 이는 인접한 열교환 부재들의 유입헤더 40와 유입통로 65들이 탱크의 중앙 평면 20의 대향측면상에 위치되고, 인접한 열교환 부재들의 배출헤더 44와 배출 통로 66들이 중앙 평면 20의 대향측면상에 위치하는 상태이다. 따라서, 상기 중앙 평면 20의 각각의 측면상에, 상기 유입헤더 40와 유입 통로 65들이 배출헤더 44와 배출통로 66에 번갈아(alternate) 형성된다. 제 1 및 제 2실시예에서, 상기 열전달 유체는 중앙 평면 20의 일측상에서 하나의 열교환 부재로 유입하고, 상기 중앙 평면의 반대측상에서 인접한 열교환 부재내로 유입한다. 상기 열전달 유체는 2개의 열교환 부재들을 통하여 직렬로 혹은 동일방향 보다는 병렬의 역방향으로 흐른다.
도 10-13 및 17-18의 제 4,5 및 6실시예에서, 온도 및 흐름방향 상관관계와 얼음형성패턴은 제 1 및 제 2 열교환 부재 16a, 16b 모두의 배출 통로 66사이에 위치된 열교환 부재 16a 혹은 16b 중 하나의 유입통로 65로부터 초래된다. 상기 유입헤더 40와 유입통로 65는 탱크의 크기를 가로질러서 배출 헤더 44와 배출 통로 66에 번갈아 형성된다. 상기 탱크내의 몇몇의 수직레벨에서, 상기 열교환 부재중 하나의 유입통로 65내의 열전달 유체는 하방으로 흐르고, 인접한 열교환 부재의 배출통로 66내의 열전달 유체는 상방으로 흐르며, 상기 레벨에서 각각의 부재내의 열전달 유체의 온도는 다르며: 얼음형성 싸이클 동안, 상기 유입통로 65내의 열전달 유체는 상기 레벨에서 상기 배출통로 66내의 열전달 유체보다 차거우며; 이러한 용해싸이클 도중에, 상기 유입통로 65내의 열전달 유체는 상기 레벨에서 상기 배출통로 66내의 열전달 유체보다 따듯하다.
본 발명의 하나의 부가적인 이점은 각각의 열교환 부재 16가 열전달용 큰 표면적을 갖는 것이다. 비록 각각의 개별적인 통로 62에 대한 열전달용 상기 노출 표면영역이 상기 통로들이 불연속되고, 서로서로 고립된 것들처럼 크지는 않더라도, 상기 통로의 수와 상기 통로의 집중(concentration)이 증대되어 열전달을 위한 상기 전체의 노출 표면영역이 증대된다.
상기 도시된 어느 실시예의 열교환 부재 16라도 탱크 12내에서 여하한의 적절한 기계적인 수단에 의해서 지지되어질 수 있다. 바람직하게는, 도 1-2 및 8의 제 1 및 제 2실시예에 대하여, 상기 열교환 부재 16는 수직위치에 위치되고, 인접한 열교환 부재들의 통로 62의 중앙축 64은 평행한 수직 평면들내에, 유입 및 배출 헤더 40,44들은 상부에 위치되며, 상기 하부 연결헤더 48는 상기 탱크 12내로 잠겨지고, 전체 열교환 분배기 52들은 상기 상변화물질 14내에 잠겨진다. 상기 열교환 부재 16의 하단부의 위치는 상기 탱크내에 몇가지의 기계적인 고정장치, 즉 각각의 열교환 부재 16의 하부 연결헤더 48를 해제가능하게 고정시키는 한쌍의 스프링 클립과 같은 것을 장착함으로서 상기 열교환 부재들 사이에서 사전에 설정된 간격으로 유지될 수 있는 것이다. 이러한 연결기로서, 각각의 열교환 부재의 적절한 위치조정작동이 보장될 수 있으며, 각각의 개별적인 열교환 부재들이 상기 장치의 나머지 부품들을 파손시키지 않으면서 교체, 보수 혹은 수리를 위하여 탱크로부터 제거될 수 있도록 하는 것이다. 상기 열교환 부재의 상부는 수직 및 측방향의 안정을 위하여 이와 유사하게 해제가능하게 지지되어질 수 있다. 다르게는, 제 1 및 제 2실시예의 열교환 부재의 상,하부 모두, 혹은 제 4실시예의 상부등이 그들의 적절한 위치에 헤더 40,44의 양단부에서 구멍이 형성된 판재들의 사용, 즉 도 1A 및 11에 도시된 판재들을 사용하여 지지되어질 수 있다. 상기 구멍이 형성된 판재 314들은 각각의 헤더 40,44의 크기와 필요한 위치에 일치하는 구멍 316들을 가질 수 있고, 상기 헤더 40,44들의 단부들이 상기 구멍 316내에 수용되어 상기 헤더 40,44들이 원하는 위치에 확실히 유지되도록 하는 것이다. 상기 탱크 벽 18은 지지 브라켓 318을 가질 수 있고, 그 위에 상기 구멍 플레이트 314의 하부가 지지되어질 수 있으며, 적절한 고정장치가 상기 구멍 플레이트 314에 대하여 작용하도록 사용되어 그들이 상부로 부상하는 것이 방지된다. 구멍 플레이트 지지대의 일례가 도 1-2 및 10-12에 도시되어 있지만, 다양한 지지대들이 사용되어질 수 있고, 본 발명은 이러한 특정 지지시스템에 제한되지 않는 다는 것을 알 수 있다. 상기 인접 열교환 부재 16들은 측방향으로 서로 이격되어 얼음 시트들이 인접한 열교환 부재들의 표면 54,56상에서 형성되기에 충분한 공간을 유지시키며 상기 얼음의 팽창을 허용하는 것이다.
비록 상기 제 1,2 및 4실시예들이 일반적인 상방 및 하방 흐름을 보여 주지만, 상기 열교환 요소들은 상기와 다르게, 예를들면 상기 도시된 위치에서 90°의 각도로, 그리고 서로 반대 방향의 수평흐름으로 배치되어질 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 열저장장치를 사용함에 있어서, 열교환 부재 16들은 도 1,6,10의 예에서 도시된 바와 같이 혹은 다른 적절한 방식으로, 냉각기 30 및 열교환 장치 34등에 연결될 수 있다. 그 다음, 상기 열저장장치는 표준방식으로 사용가능하다.
따라서, 본 발명은 제작 및 조립하기가 간단한 열저장장치를 제공하는 것을 알 수 있다. 상기 열교환 부재들은 보관을 위하여 적재하고, 현장으로의 이송이 매우 용이하게 될 수 있다. 만일 플라스틱 재료들로 제작된다면, 상기 열교환 부재들은 상대적으로 경량이다. 상기 열교환 부재들은 얼음 형성 및 용해 싸이클 모두에서 열전달을 위한 큰 표면영역을 제공하고, 얼음고리의 형성을 방지하며, 따라서 용해싸이클 도중에 열저항을 감소시킨다. 상기 열교환 부재들은 용해싸이클 동안, 열교환 유체가 배출구 근방에서 열을 얻지 않도록 배치된다. 그리고, 각각의 플라스틱 열교환 부재들은 현장에서 탱크내에 장착가능하여 빌딩의 기초와 같이 기존의 구축물에 부품의 장착을 용이하게 될 수 있다. 또한, 시스템의 용량이 필요에 따라서, 예를들면 탱크의 크기를 증대시키거나, 혹은 다수의 직렬로 배열된 탱크를 배치하거나, 필요한 경우 부가적인 혹은 보다 적은 수의 열교환 부재들을 장착하거나 하여 조정될 수 있다. 상기 부재들이 상기 통로들 사이의 사전에 선정된 그리고 미리 형성된 간격으로, 그리고 각각의 열교환 부재상에 예비성형된 스페이서를 열교환 부재들 사이에 바람직한 간격으로 장착하여 예비 제작되기 때문에, 탱크내의 유효공간이 효과적으로 사용되어질 수 있다.
본 발명의 열교환 부재들은 열저장장치의 내부 및 외부 용해식 모두에 사용되어질 수 있음을 알 수 있다.
상기에서 본 발명의 단지 특정 실시예들이 설명되고 도시되었지만, 당업자들은 이들로부터 다양한 개선구조들이 이루어질 수 있고, 변형구조들이 사용가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 본 발명은 상기 설명된 환경이외에도 적용될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 첨부된 클레임은 이러한 개선구조와 변형구조 및 적용예들 모두를 본 발명의 범위내에 포함하고자 하는 것이다.

Claims (10)

  1. 탱크;
    상기 탱크내의 상변화물질;
    유입구, 배출구, 상기 상변화물질에 접촉하는 거의 연속적인 대향면 및, 상기 유입구와 배출구에 유체적으로 연통되는 다수의 유체통로들을 갖추고, 적어도 상기 유체통로의 일부분들이 탱크내의 상변화물질내로 잠기며, 상기 잠겨진 유체통로의 적어도 상당부분이 서로 서로 측방으로 연결되어 상기 거의 연속적인 대향 표면의 적어도 일부분을 형성하고, 상기 거의 연속적인 대향면들의 적어도 일부분이 탱크내의 상변화물질에 접촉되어지는 열교환 부재; 및
    상기 유체통로내의 위치되고, 상기 유체통로들이 상기 유입구로부터 배출구로 흐름통로를 형성하는 열전달 유체;를 포함하고,
    상기 거의 연속적인 대향면들의 하나에 인접하는 상기 상변화 물질의 상당부분이 상기 거의 연속적인 대향면들의 나머지 하나에 인접한 상기 상변화 물질의 상당부분으로부터 열교환부재에 의하여 분리되어 상기 상변화 물질이 상기 열교환 부재의 유입구와 배출구사이의 열전달 유체 흐름통로의 적어도 상당부분에 대하여 상기 유체통로를 포위하지 않도록 구성된 열저장 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유입구는 유입 헤더를 포함하고, 상기 다수의 유체통로들은 직선형이고, 서로에 대하여 인접하며 평행을 유지하고 상기 유입헤더에 연결되는 한편, 적어도 2개의 인접한 유입 유체통로들은 상기 유입헤더에 연결되고, 상기 2개의 유체통로를 통한 열전달 유체의 흐름은 동일 방향으로서, 하나의 수직레벨에서 2개의 유체통로내의 열전달 유체의 평균온도가 상기 하나의 수직레벨의 하류측에서 열전달 유체의 평균온도와는 다르게 이루어지고; 그리고,
    상기 배출구는 상기 유입헤더와는 간격이 형성된 배출헤더를 포함하고, 상기 유체통로들은 상기 배출헤더에 연결된 적어도 2개의 인접한 배출유체 통로들을 포함하며, 상기 열교환 부재는 상기 유입유체통로와 상기 배출유체통로들 사이의 연결유체통로들을 추가 포함하고, 상기 유입헤더와 유입유체통로들을 통한 평면은 상기 배출헤더 및 배출유체통로들을 통한 평면과는 간격이 형성되며, 하나의 수직레벨에서, 상기 유입유체통로내의 열전달 유체의 온도는 상기 동일한 수직레벨에서 배출유체통로내의 열전달 유체의 온도와는 다르게 이루어짐을 특징으로 하는 열저장 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 각각의 유입유체통로, 연결유체통로 및 배출유체통로들은 상기 유입헤더로부터 배출헤더로 연장하는 연속 튜브를 포함함을 특징으로 하는 열저장 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 유입구는 유입도관을 포함하고, 상기 배출구는 배출도관을 포함하며, 상기 유체통로들은 유입도관과 배출도관사이에서 단부끼리(end to end)연결되어 연속적인 흐름통로를 제공하고, 상기 열교환 부재는 상기 흐름통로 길이의 상당부분을 따라서 유체통로들을 연결하는 웨브를 포함함을 특징으로 하는 열저장 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 유입구는 유입헤더를 포함하고, 상기 배출구는 배출헤더를 포함하며, 상기 열교환 부재는 상기 유입헤더와 배출헤더로부터 일정간격이 떨어진 하부연결헤더를 추가 포함하고, 상기 유체통로들은 상기 유입헤더와 연결헤더들 사이를 연장하는 다수개의 거의 직선형의 유입유체 통로들과, 상기 연결헤더로부터 배출헤더로 연장하는 다수개의 거의 직선형의 배출유체통로들을 포함함을 특징으로 하는 열저장 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 유입구는 유입헤더를 포함하고, 상기 배출구는 배출헤더를 포함하며, 상기 유입헤더와 배출헤더로부터 일정간격이 떨어진 제 1하부연결헤더,상기 유입헤더와 배출헤더사이의 상부 연결헤더 및, 상기 유입헤더, 배출헤더 및 상부연결헤더들로부터 간격이 형성된 제 2하부연결헤더들을 추가 포함하고, 상기 유체통로들은 상기 유입헤더와 제 1하부 연결헤더들을 연결하는 다수개의 인접한 유입통로들과, 상기 하부연결헤더와 상부연결헤더들을 연결하는 다수의 인접 연결통로, 상기 상부연결헤더와 상기 제 2하부연결헤더들을 연결하는 다수의 인접 연결통로 및, 상기 하부연결헤더와 상기 배출헤더들을 연결하는 다수의 인접한 배출통로들을 포함하여, 상기 유입헤더로부터 상기 유입통로들을 통하여 상기 제 1하부연결헤더로, 상기 제 1하부연결헤더로부터 상기 연결통로들을 통하여 상기 상부연결헤더로, 상기 상부연결헤더로부터 상기 연결통로들을 통하여 상기 제 2의 하부연결헤더로, 그리고 상기 제 2하부연결헤더로부터 배출통로들을 통하여 상기 배출헤더로 향하는 상기 열전달 유체용 흐름통로를 제공하도록 구성됨을 특징으로 하는 열저장 장치.
  7. 탱크;
    상기 탱크내의 상변화물질;
    유입구, 배출구 및 상기 유입구와 배출구에 유체연통되는 유체통로들을 갖추고, 상기 유체통로의 적어도 일부분이 상기 탱크내의 상기 상변화물질내에 잠겨지는 제 1열교환 부재;
    유입구, 배출구 및, 상기 유입구와 배출구에 유체연통되는 유체통로를 갖추고, 상기 유체통로의 적어도 일부분이 상기 탱크내의 상기 상변화물질내에 잠겨지며, 상기 제 1열교환 부재와의 사이의 상변화물질로서 상기 제 1열교환부재로부터 이격되는 제 2열교환 부재;를 갖는 열저장 장치를 제공하고;
    상기 유입구로부터 제 1열교환 부재의 유체 통로를 통하여 상기 배출구로 열전달 유체를 이동시키면서, 동시에 상기 유입구로부터 제 2열교환 부재의 유체통로를 통하여 상기 배출구로 열전달 유체를 이동시키는; 단계를 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2열교환 부재들은 상기 제 1열교환부재의 유체통로를 통하고, 상기 제 2열교환 부재의 유체통로를 통한 평면을 따라서, 하나의 유체통로내에서 상기 평면내의 열전달 유체의 평균온도가 나머지 열교환부재의 유체통로내에서 상기 평면내의 열전달 유체의 평균온도보다 낮도록 배치되어짐을 특징으로 하는 후의(at a later time) 방출용 냉기의 저장방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 유체통로들은 중앙의 길이방향축을 갖고, 상기 제 1 열교환 부재의 중앙 길이방향축은 상기 제 2열교환부재의 중앙 길이방향축의 평면과는 다른 평면내에 놓여짐을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 탱크는 중앙의 수직평면을 갖추고, 상기 제 1열교환부재의 유입구는 상기 탱크의 중앙 수직평면의 일측상에 형성되며, 상기 제 2열교환부재의 유입구는 상기 탱크의 중앙 수직 평면의 타측상에 형성되고, 상기 제 2열교환부재의 배출구는 상기 제 1열교환부재의 유입구와 같이 상기 탱크의 중앙 수직축의 동일 측면상에 형성되고, 상기 제 1열교환부재의 배출구는 상기 제 2열교환 부재의 유입구와 같이 상기 탱크의 중앙 수직축의 동일 측면상에 형성됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 제 2열교환부재는 상기 제 1열교환 부재의 구조에 거의 일치하는 구조를 갖추고, 상기 제 1열교환 부재에 비교하여 180°회전되어 상기 탱크내에 위치됨을 특징으로 하는 방법.
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