KR20020017743A - 제빙 및 방냉시 히트파이프를 이용한 빙축열시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제빙 및 방냉시 히트파이프를 이용한 빙축열시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 빙축열조내의 히트파이프를 3부분으로 하여 상부는 축냉운전시에 히트파이프의 응축부가 되고, 하부는 방냉시에 히트파이프의 증발부가 되며, 중간부는 축냉시에 증발부, 방냉시에 응축부의 역할을 하며, 히트파이프 상부는 냉동기의 냉매를 직접 팽창시켜 사용하거나 또는 브라인을 순환시켜 냉각할 수가 있으며, 히트파이프의 하부는 격리판을 설치하여 방냉시에 아래부분의 물만 유동시키도록 한다. 격리판은 제빙시에 얼음이 형성되면 부피가 팽창되어 빙축열조에 응력이 발생되어 파손되는 것을 방지하기 위해서 중간부분의 물과 서로 유동할 수 있도록 작은 구멍을 설치하며, 빙축열조 전체는 개방형으로 하여 부피팽창에 따른 파손을 방지할 수 있도록 한다. 축냉시에 히트파이프의 상단에 약 -5℃ 정도로 냉각을 하면 히트파이프의 중간부 및 하부는 증발부가 되어 빙축열조내의 히트파이프 주변의 물로부터 열을 빼앗아 관외착빙이 이루어지게 된다.

본 발명은 히트파이프를 빙축열조에 적용하여 하부의 물만 유동시켜도 히트파이프 위로 열이 균일하게 전달되므로 빙축열조내의 얼음이 균일하게 녹아 해빙시 부하추종성의 문제점을 해결할 수 있고, 축냉운전시 냉동기의 냉매가 빙축열조의 상단부에서만 유동하므로 냉매의 유동압력손실을 줄일 수 있으므로 냉동기의 성능이 향상되고, 방냉시에 빙축열조의 하단부에만 냉수를 유동시켜 전체를 해빙시킬 수가 있으므로 펌프의 동력도 감소하게 되어 에너지절약에도 기여할 수 있다.

Description

제빙 및 방냉시 히트파이프를 이용한 빙축열시스템{The Thermal Ice Storage System Using Heat Pipe for Ice-on-Coil and Cooling}

본 발명은 제빙 및 방냉시 히트파이프를 이용한 빙축열시스템에 관한 것으로서, 종래의 얼음 저장시스템의 방냉시 부하추종성 및 관외착빙형의 열저항 등의 문제점을 해결하기 위하여 고효율 전열소자인 히트파이프(2)를 관외에 착빙하여 방냉시 얼음이 균일하게 녹아 부하추종성을 높이도록 하는 데 있다.

일반적으로 빙축열시스템은 냉동기와 빙축열조(1)로 구성되며, 냉동기는 압축기(10), 응축기(12), 팽창밸브(13), 증발기(11), 냉각탑(14) 등으로 되어 있다. 그리고 빙축열조(1)는 얼음(6)의 착빙방법에 따라 정적제빙형과 동적제빙형으로 분류할 수가 있고, 냉각방법에 따라서 브라인 순환방식과 냉매의 직접팽창방식으로 구별할 수가 있다. 특히 정적제빙형에서는 코일방식으로 외표면 착빙방법과 내표면 착빙방법이 있으며, 캡슐방식으로 Ice Ball 등이 있다. 이와 같이 큰 덩어리 형태의 얼음을 저장하는 시스템은 방냉시에 얼음이 녹는 속도에 한계가 있어 냉방시간중에 부하가 급격히 증가할 경우 증가한 부하를 모두 감당할 수 없는 부하추종성에 한계가 있으며, 또한 방냉시에 종래의 관외착빙에서는 빙축열조내 전체에 직접 물을 유동시켜 얼음(6)을 녹이는 방법을 사용하지만 균일하게 녹지 않아 밑에서 공기펌프를 불어주는 불편을 초래하게 되고, 얼음이 녹는 속도에 한계가 있어 냉방시간중에 부하가 급격히 증가할 경우 증가한 부하를 모두 감당할 수 없는 부하추종성에 한계가 있다는 단점이 있다. 그리고 관외착빙형의 빙축열시스템은 제빙관내 전체에 냉동기의 냉매나 브라인을 순환시키게 되므로 냉동기의 냉매유동압력의 강하로 성능의 저하가 발생할 수 있으며, 브라인을 사용할 경우에는 간접 냉각방식이므로 열저항이 커진다는 단점을 가지고 있다. 따라서 이와 같은 관외착빙형의 단점을 보완하기 위하여 고효율 전열소자인 히트파이프를 이용해서 히트파이프 관외에 착빙을 하도록 하며, 방냉시에도 균일하게 얼음이 녹아 부하의 추종성을 높혀줄 수 있다는 데에 목적을 두고 있다.

본 발명의 제빙 및 방냉을 이루는 시스템은 빙축열조(1)내의 히트파이프(2)를 3부분으로 분류하여 상부(7)는 축냉운전시에 히트파이프의 응축부(3)가 되고, 하부(9)는 방냉시에 히트파이프의 증발부(4)가 되며, 중간부(8)는 축냉시에 증발부, 방냉시에 응축부의 역할을 하도록 되어 있다. 그리고 히트파이프 상부(7)는 냉동기의 냉매를 직접 팽창시켜 사용하거나 또는 브라인을 순환시켜 냉각할 수가 있으며, 히트파이프의 하부(9)는 격리판(5)을 설치하여 방냉시에 아래부분의 물만 유동시킬 수 있도록 하였다. 여기서 격리판(5)은 제빙시에 얼음(6)이 형성되면 부피가 팽창되어 빙축열조(1)에 응력이 발생되어 파손되는 것을 방지하기 위해서 중간부(8)의 물과 서로 유동할 수 있도록 작은 구멍을 설치하며, 빙축열조(1) 전체는 개방형으로 하여 부피팽창에 따른 파손을 방지할 수 있도록 하였다. 축냉시에 히트파이프의 상부(7)에 약 -5℃ 정도로 냉각을 하면 히트파이프의 중간부(8) 및 하부(9)는 증발부가 되어 빙축열조(1)내의 히트파이프(2) 주변의 물로부터 열을 빼앗아 관외착빙이 이루어지게 된다.

본 발명과 관련된 종래기술은 축냉시에 얼음이 형성되는 관내에 냉동기의 냉매나 브라인을 직접 유동시켜 관외착빙이 이루어지도록 되어 있으나, 이것은 냉매의 유동압력손실이 증가되어 냉동기의 성능저하가 발생하며 방냉시에 축열조내의 물을 전체로 유동시키는데 있어서 물이 순환되지 않는 부분이 생겨서 축열조내에 얼음이 골고루 녹지 않는 결점이 있다. 그러나 본 발명은 히트파이프라는 전열소자를 이용하기 때문에 관내에 냉매를 직접 팽창시킬 필요가 없으며 방냉시에도 축열조내의 일부에만 물을 유동시켜도 얼음이 녹는 분포도가 일정하게 된다는 것이 기술적으로 구성이 다른 것들이다.

본 발명은 상기와 같은 관외착빙형의 단점을 보완하기 위하여 고효율 전열소자인 히트파이프(2)를 관외에 착빙하여 방냉시에도 균일하게 얼음이 녹아 부하추종성을 높이도록 하는 데 있다.

도 1은 본 발명에서 전열소자로 사용되는 히트파이프의 작동원리를 나타낸 것이다.

도 2는 빙축열조내의 히트파이프요소 관외의 제빙 및 방냉과정의 개략도이다.

도 3은 히트파이프를 이용한 빙축열시스템의 축냉운전의 개략도이다.

도 4는 히트파이프를 이용한 빙축열시스템의 냉방운전의 개략도이다.

도 5는 냉각시 브라인 순환형식의 히트파이프를 이용한 빙축열시스템의 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 빙축열조 (2) : 히트파이프

(3) : 히트파이프 응축부(축냉시) (4) : 히트파이프 응축부(방냉시)

(5) : 격리판 (6) : 얼음

(7) : 히트파이프 상부 (8) : 히트파이프 중간부

(9) : 히트파이프 하부 (10) : 압축기

(11) : 증발기 (12) : 응축기

(13) : 팽창밸브 (14) : 냉각탑

(15) : 휀코일유닛 (16) : 열교환기

(17) : 펌프 (18) : 밸브

본 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1에서와 같이 전열소자인 히트파이프는 밀폐된 용기내에 작동유체를 주입한 후 진공탈기한 것으로서 작동유체의 증발과 응축이 별도의 외부동력없이 잠열을 이용하여 열을 전달하는 기구이며, 작은 온도차로 대량의 열을 수송하는 것이 특징으로 동봉보다도 수백배의 열전도성을 가지고 있는 것이 특징이다. 히트파이프의 작동원리는 밀봉된 용기내에 다공성 모세관윅을 감고 작동유체를 액상의 형태로 포화시켜 윅 안쪽의 공간을 기체상태로 만들면 외부열원에 의해 증발부에 열이 부과될 때 그 부위의 작동유체는 증발되고 결과적으로 압력차가 발생해서 증발부로부터 응축부로 증기가 유동된다. 이 증기는 응축부에서 증발잠열을 히트파이프 주위에 전달하고 응축이 일어난다. 응축된 액체는 수직일 경우 중력에 의해 다시 증발부로 벽을 타고 내려와 계속적인 열수송이 일어난다. 그러나 다공성 모세관윅을 감으면 반드시 수직의 형태로 설치하지 않아도 모세관형태에 의해 액체는 증발부로 이동한다. 이와 같이 히트파이프는 작은 온도차로 큰 용량의 열을 수송할 수가 있으며, 균일한 온도분포를 가지고 있는 특징을 이용해서 축열조내의 제빙관으로 활용할 수가 있다.

도 2는 빙축열조(1)내의 히트파이프(2)요소 관외의 제빙 및 방냉과정의 개략도를 나타낸 것으로서 빙축열조내의 히트파이프를 세부분으로 분류하여 상부(7)는 축냉운전시에 히트파이프의 응축부(3)가 되고, 하부(9)는 방냉시에 히트파이프의 증발부(4)가 되며, 중간부(8)는 축냉시에 증발부, 방냉시에 응축부의 역할을 하도록 되어 있다. 그리고 히트파이프 상부(7)는 냉동기의 냉매를 직접 팽창시켜 사용하거나 또는 브라인을 순환시켜 냉각할 수가 있으며, 히트파이프의 하부(8)는 격리판(5)을 설치하여 방냉시에 아래부분의 물만 유동시킬 수 있도록 하였다. 여기서 격리판(5)은 제빙시에 얼음(6)이 형성되면 부피가 팽창되어 빙축열조에 응력이 발생되어 파손되는 것을 방지하기 위해서 중간부(8)의 물과 서로 유동할 수 있도록 작은 구멍을 약 네개 정도 설치하며, 빙축열조 전체는 개방형으로 하여 부피팽창에 따른 파손을 방지할 수 있도록 하였다. 축냉시에 히트파이프의 상단에 약 -5℃ 정도로 냉각을 하면 히트파이프의 중간(8) 및 하부(9)는 증발부가 되어 빙축열조내의 히트파이프 주변의 물로부터 열을 빼앗아 관외착빙이 이루어지게 된다. 종래의 관외착빙에서는 방냉시에 빙축열조)내 전체에 직접 물을 유동시켜 얼음을 녹이는 방법을 사용하지만 균일하게 녹지 않아 밑에서 공기펌프를 불어주는 불편이 초래하게 되고, 얼음이 녹는 속도에 한계가 있어 냉방시간중에 부하가 급격히 증가할 경우 증가한 부하를 모두 감당할 수 없는 부하추종성에 한계를 나타내는 단점이 있으나, 본 발명에서는 균일한 온도분포를 갖는 히트파이프의 특성을 살려 빙축열조에 적용할 경우 아래부분의 물만 유동시켜도 히트파이프 위로 열이 균일하게 전달되므로 빙축열조내 전체가 균일하게 얼음이 녹아 해빙의 어려움을 극복할 수가 있어 부하추종성을 해결할 수 있는 장점이 있다.

도 3은 히트파이프(2)를 이용한 빙축열시스템의 축냉운전의 전체적인 개략도로서 빙축열조(1)내에 여러개의 히트파이프를 설치하여 구성하였으며, 축냉운전시에는 냉동기의 냉매가 점선의 화살표 방향으로 유동하게 되며, 증발기가 빙축열조내에 있는 히트파이프의 상부(7)가 되어 냉매가 증발하면서 열을 빼앗아 빙축열조내의 히트파이프 관외에 착빙이 형성하게 되며, 균일한 온도분포를 유지하므로 제빙의 두께도 균일하게 되어 제빙효과가 좋아지게 된다. 냉동기의 응축기(12)는 냉각탑(14)의 냉각수에 의해 응축기(12)를 냉각하기도 하고, 공냉식으로 구성하여 공기로 냉각할 수도 있다.

도 4는 히트파이프(2)를 이용한 빙축열시스템의 냉방운전의 전체적인 개략도로서 냉방운전시에는 냉동기의 증발기(11)가 별도로 설치되어 있어서 증발기내에 냉수를 직접 순환시켜 건물내의 휀코일유닛(15)으로 보내지도록 하였으며, 이때 냉동기의 냉매는 점선으로 된 화살표 방향으로 유동하여 싸이클을 이루게 된다. 냉동기를 정지시키고 빙축열을 이용하여 냉방운전을 할 경우에는 빙축열조(1)를 격리판(5)으로 분리하여 하부(9)에만 냉수를 유동시켜도 히트파이프의 전열 및 균일한 온도특성을 이용해서 히트파이프의 중간부(8) 및 상부(7)의 얼음(6)이 균일하게 해빙되므로 기존의 관외착빙이나 캡슐형의 경우처럼 얼음(6)이 녹는 속도에 한계가 있어 냉방시간중에 부하가 급격히 증가할 경우 증가한 부하를 모두 감당할 수 없는 부하추종성에 한계가 있다는 단점을 극복할 수가 있다는 것이 특징이다. 이때 빙축열조내의 1차냉수는 열교환기(16)를 이용하여 건물의 휀코일유닛(15)의 2차냉수를 냉각시켜 사용할 수가 있고, 직접 1차냉수가 휀코일유닛(15)으로 보내지게 되어 냉방을 이룰 수가 있다.

이와 같이 본 발명은 축냉운전시 냉동기의 냉매가 빙축열조의 상단부에서만 유동하므로 냉매의 유동압력손실을 줄일 수가 있어 냉동기의 성능향상이 이루어지고, 방냉시에 빙축열조의 하단부에만 냉수를 유동시켜 전체를 해빙시킬 수가 있으므로 펌프(14)의 동력도 감소하게 되어 에너지절약으로 인한 경제성 향상에도 큰 기여를 하고 있다.

또한, 도 5는 냉각시 브라인 순환형식의 히트파이프(2)를 이용한 빙축열시스템의 개략도로서 도 3 및 도 4에서 냉동기의 냉매를 직접 히트파이프의 상부로 순환시키는 대신 브라인을 순환시킬 수 있도록 구성한 것이 특징이다. 빙축열조내의 히트파이프의 관외착빙의 원리는 앞에서 설명한 것과 같으며, 냉매의 유동은 점선의 화살표 방향이고, 브라인 및 냉수의 유동은 실선의 화살표 방향으로 흐르도록 구성하였다. 이때 냉동기의 증발기(11)에서 만들어진 브라인은 축냉시에는 히트파이프 상단으로 흐르고, 냉방시에는 별도의 열교환기(16)로 흘려보내 냉수와 열교환이 이루어지도록 하여 냉수가 건물의 휀코일유닛(15)으로 보내져서 냉방이 되도록 하였다.

본 발명은 히트파이프를 빙축열조에 적용하여 하부의 물만 유동시켜도 얼음이 균일하게 녹아 해빙시 부하추종성의 문제점을 해결할 수 있고, 축냉운전시 냉동기의 냉매가 빙축열조의 상단부에서만 유동하므로 냉매의 유동압력손실을 줄일 수 있으므로 냉동기의 성능이 향상된다. 또한, 방냉시에도 빙축열조의 하단부에만 냉수를 유동시켜 전체를 해빙시킬 수 있으므로 펌프의 동력 감소로 에너지를 절약할 수 있다.

Claims (4)

1. 히트파이프를 이용한 빙축열시스템에 있어서, 빙축열조(1)내에 다수의 히트파이프(2)를 설치하여 히트파이프의 상부(7)는 축냉운전시에 히트파이프의 응축부( 3)가 되어 냉동기의 냉매를 직접 팽창시키거나 또는 브라인을 순환시키며, 하부(9)는 격리판(5)이 구비되어 방냉운전시에 히트파이프의 증발부(4)가 되어 하부(9)의 물만 유동시키고, 중간부(8)는 축냉운전시에 증발부 또는 방냉운전시에 응축부가 되도록 히트파이프가 3부분으로 분리운전됨을 특징으로 하는 제빙 및 방냉시 히트파이프를 이용한 빙축열시스템
2. 제 1항에 있어서, 격리판(5)은 제빙시에 형성된 얼음(6)의 부피 팽창으로 빙축열조(1)에 발생된 응력으로 파손을 방지하기 위하여 중간부분의 물과 서로 유동할 수 있도록 구멍을 3개 내지 5개 설치하는 것을 특징으로 하는 제빙 및 방냉시 히트파이프를 이용한 빙축열시스템
3. 제 1항에 있어서, 빙축열조(1)는 개방형으로 하여 부피팽창에 따른 파손을 방지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 제빙 및 방냉시 히트파이프를 이용한 빙축열시스템
4. 제 1항에 있어서, 축냉운전시에 히트파이프의 상부(7)를 약 -5℃ 정도로 냉각하여 빙축열조(1)내의 히트파이프(2) 주변의 물로부터 열을 빼앗아 관외착빙이 이루어지게 하고, 방냉운전시에 하부(9)의 물을 유동시켜 빙축열조 전체에 얼음(6)이 균일하게 녹아 부하추종성을 해결하는 것을 특징으로 하는 제빙 및 방냉시 히트파이프를 이용한 빙축열시스템