KR20020092050A

KR20020092050A - Ｐｃｍ을 이용한 공조시스템

Info

Publication number: KR20020092050A
Application number: KR1020010030903A
Authority: KR
Inventors: 이현상
Original assignee: 이현상
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2002-12-11
Also published as: KR100415492B1

Abstract

본 발명은 PCM을 이용한 공조시스템에 관한 것으로, 열발생원인 전자장비를 냉각하기 위해 PCM 셀이나 PCM 관의 내부에 PCM(Phase Change Material)을 충진하고, PCM의 상변화에 따른 잠열이 방열기를 통해 방출되게 함으로써 전자장비를 냉각시키는 PCM을 이용한 공조시스템에 관한 것이다.

본 발명은 열발생원인 전자장비가 위치한 공조공간에 설치되고, 내부에 PCM이 충진되어 상기 PCM이 전자장비에서 방출하는 열을 흡수하도록 하는 충진관;을 갖는 PCM 셀과: PCM 셀이 위치하는 공조공간의 외부에 설치되고, 공조공간으로부터 연장된 파이프와 연결되는 상부 PCM 탱크와; 상부 PCM 탱크로부터 일정 거리와 일정 높이 아래에 위치하고 공조공간으로 연장되는 파이프와 연결되는 하부 PCM 탱크와; 상부 PCM 탱크와 하부 PCM 탱크를 연결하여 PCM이 하강하면서 열을 방출하도록 하는 다수의 열관;을 포함하는 방열기와: PCM 셀과 방열기를 연결하여 PCM의 순환통로가 되는 파이프:를 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템을 제공한다.

Description

ＰＣＭ을 이용한 공조시스템{CONDITIONING SYSTEM USING PCM}

본 발명은 PCM을 이용한 공조시스템에 관한 것으로, 열발생원인 전자장비를냉각하기 위해 PCM 셀이나 PCM 관의 내부에 PCM(Phase Change Material)을 충진하고, PCM의 상변화에 따른 잠열이 방열기를 통해 방출되게 함으로써 전자장비를 냉각시키는 PCM을 이용한 공조시스템에 관한 것이다.

전자장비를 가동하면 시간이 지남에 따라 전자장비 내부에서 열이 발생하는데, 열이 과도하게 발생하면 전자장비에 손상이 오기 쉬우므로 전자장비를 냉각하여 전자장비가 위치한 공간의 온도를 일정하게 유지시킬 필요가 있다.

종래에는 열발생원인 전자장비를 냉각하기 위해서 주로 에어콘을 사용하였다. 그러나 에어콘을 사용할 경우에는 에어콘의 전력소모가 많아 비용이 많이 들었으며, 에어콘이 고장났을 경우 전자장비를 냉각할 수 있는 별도의 장치가 없어 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해결하고자 한 고안으로서, "통신장비의 온도 조절을 위한 냉각장치(등록실용신안 : 20-0219702)"가 있다. 그러나 종래 "통신장비의 온도 조절을 위한 냉각장치"는 냉매로서의 PCM의 역할이 특정되지 않았고, PCM이 충진되는 PCM 셀이나 PCM 관의 구조를 명확히 하지 못했으며, PCM이 자연적으로 원활히 순환하도록 파이프와 방열기 등의 구조를 특징짓지 못했다.

또한, 이상기온 현상으로 외부의 온도가 너무 높거나 너무 낮아질 때는 급격한 온도 변화에도 온도 편차가 크지 않으면서 전자장비가 위치한 공간의 온도를 어느정도 일정하게 유지하게 할 수 없었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, PCM을 냉매로 하여 PCM의상변화에 따른 잠열을 이용하여 전자장비를 냉각시키는 PCM을 이용한 공조시스템을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 PCM을 다수의 흡열판을 갖는 PCM 셀에 충진하여 PCM이 보다 효과적으로 열을 흡수함으로써 냉각효율을 높일 수 있는 PCM을 이용한 공조시스템을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 PCM이 원활히 순환하여 효과적으로 전자장비를 냉각할 수 있도록 파이프와 방열기의 구조를 구체화한 PCM을 이용한 공조시스템을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 전자장비가 위치한 공조공간이 컨테이너인 셀터형 공조시스템에 있어서 PCM을 벽체 내벽의 PCM 관에 충진하여 급격한 온도 변화에도 온도 편차가 크지 않으면서 내부 온도를 어느정도 일정하게 유지할 수 있는 PCM을 이용한 공조시스템을 제공함을 목적으로 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 PCM을 이용한 공조시스템의 전체구성도.

도2은 본 발명의 일실시예에 따른 PCM을 이용한 공조시스템의 구성을 나타내는 평면도.

도3은 도2의 PCM 셀의 단면도.

도4는 도2의 방열기의 단면도.

도5a는 도4의 열관의 부분사시도.

도5b는 도4의 열관의 또다른 일실시예에 따른 단면도.

도6은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 PCM을 이용한 공조시스템의 전체구성도.

도7은 도6의 벽체의 부분사시도.

도8은 도7의 PCM 관에 PCM 케이스를 삽입한 상태도.

도9는 도6의 방열기의 단면도.

도10은 도9의 연결파이프의 단면도.

도11은 본 발명에 따른 PCM을 이용한 공조시스템으로 교체했을 경우 연간 전기료 절감액을 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 2 : 공조시스템5 : 전자장비

10 : PCM 셀11 : 몸체

13 : 연결고리15 : 충진관

17 : 흡열판20 : 순환펌프

22 : 파이프30, 50 : 방열기

31, 51 : 차단막33 : 상부 PCM 탱크

35 : 하부 PCM 탱크36 : 열관

37, 57 : 냉각팬38, 58 : PCM 보조탱크

40 : 팬코일 유니트42, 70 : 냉각기

44, 72 : 컨트롤기46 : 벽체

48 : PCM 관48a : PCM 케이스

52a : 상부 흡열 PCM 탱크52b : 하부 흡열 PCM 탱크

54a : 상부 방열 PCM 탱크54b : 하부 방열 PCM 탱크

56a : 하부열관56b : 상부열관

59 : 연결파이프60 : PCM 저장탱크

62 : 상승관64 : 하강관

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 열발생원인 전자장비가 위치한 공조공간에 설치되고, 내부에 PCM이 충진되어 PCM이 전자장비에서 방출하는 열을 흡수하도록 하는 충진관;을 갖는 PCM 셀과: PCM 셀이 위치하는 공조공간의 외부에 설치되고, 공조공간으로부터 연장된 파이프와 연결되는 상부 PCM 탱크와; 상부 PCM 탱크로부터 일정 거리와 일정 높이 아래에 위치하고 공조공간으로 연장되는 파이프와 연결되는 하부 PCM 탱크와; 상부 PCM 탱크와 하부 PCM 탱크를 연결하여 PCM이 하강하면서 열을 방출하도록 하는 다수의 열관;을 포함하는 방열기와: PCM 셀과 방열기를 연결하여 PCM의 순환통로가 되는 파이프:를 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 열발생원인 전자장비가 위치한 공조공간인 컨테이너의 내부에 위치하고, PCM이 채워진 하부 흡열 PCM 탱크와; 하부 흡열 PCM 탱크로부터 일정 거리와 일정 높이 위에 위치하는 상부 흡열 PCM 탱크와; 하부 흡열 PCM 탱크와 상부 흡열 PCM 탱크를 연결하고, PCM이 열을 흡수하여 상부 흡열 PCM 탱크로 이동하도록 하는 하부열관과; 상부 흡열 PCM 탱크에서 연장되어 온도가 상승한 PCM이 위로 상승하기 쉽도록 하는 상승관과, 하부 방열 PCM 탱크에서 연장되어 냉각된 PCM이 아래로 떨어지기 쉽도록 하는 하강관이 연결되고, PCM이 순환할 때 상기 PCM을 잠시 저장하는 PCM 저장탱크;를 포함하는 흡열부와: 공조공간의 외부에 위치하고, PCM 저장탱크와 파이프를 통해 연결되는 상부 방열 PCM 탱크와; 상부 방열 PCM 탱크로부터 일정 거리와 일정 높이 아래에 위치하는 하부 방열 PCM 탱크와; 상부 방열 PCM 탱크와 하부 방열 PCM 탱크를 연결하여 PCM이 하강하면서 열을 방출하도록 하는 상부열관;을 포함하는 방열부:를 포함하는 방열기를 갖는 PCM을 이용한 공조시스템을 제공한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 PCM을 이용한 공조시스템의 일실시예를 상세히 설명한다.

실시예 1

실시예 1은 건물형 공조시스템을 나타낸다. 건물형 공조시스템이란 전자장비가 위치한 공조공간이 건물인 것을 의미한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 공조시스템의 전체구성도를, 도2는 본 발명의 일실시예에 따른 공조시스템의 구성을 나타내는 평면도를, 도3은 도2의 PCM 셀의 단면도를, 도4는 도2의 방열기의 단면도를, 도5는 도4의 열관의 부분사시도를 나타낸다.

도1과 도2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 PCM을 이용한 공조시스템(1, 이하 '공조시스템'이라 한다)은 열발생원인 전자장비(5)가 위치한 공조공간(6)에 설치되며, 내부에 PCM이 충진되는 PCM 셀(10), 순환펌프(20), 파이프(22),방열기(30), 팬코일 유니트(40), 냉각기(42), 컨트롤기(44)를 포함한다.

도3을 참조하면, PCM 셀(10)의 내부에는 PCM이 충진된다.

PCM은 일정 온도에서 고체에서 액체로, 또는 액체에서 고체로 상이 바뀌면서 잠열을 흡수하거나 방출하는 물질로서, 상이 쉽게 변하며 일정한 녹는점을 가지고 있고 열 저장능력이 높아 열 저장매체로 사용된다. 대체로 PCM으로 파라핀 계열의 물질을 사용하나, 이것은 낮은 밀도와 열전도도를 가지고 있고 가연성이며 가격이 비교적 비싸다는 단점이 있다.

이에 비해 Eutectics계는 원하는 온도에서 열을 발산하고 흡수할 수 있기 때문에 선호된다. Eutectics계는 상변화가 일어날 때는 체적변화가 적으며 일정 온도를 유지하기 쉽고 축열성이 뛰어나다. 또한 파라핀 계열의 물질보다 사이클을 재현하는 능력이 30배나 뛰어나서 이상적인 축열성능을 실현할 수 있다. 그러나 PCM을 태양에너지를 이용하여 냉난방용으로 사용할 경우에는 상변화 물질의 문제점인 상분리, 과냉각현상, 열전도문제 등이 야기되므로, PCM을 고분자물질인 미세캡슐로 만들어 열효율을 높이고 안정적인 사이클을 실현해야 한다. PCM은 상변화 온도가 원하는 온도 영역이고 열용량과 잠열이 크며 과냉각 현상이 작아야 한다. 또한 독성, 가연성, 환경오염성이 없고 화학적으로 안정하여 반복사용이 가능해야 하며 재현성이 좋아야 한다.

본 발명에서는 냉매로서 파이프(22)를 통해 순환하는 PCM과, 순환하지 않는 PCM을 각 다른 관에 충진시키는데, 순환하는 PCM은 녹는점이 29∼32℃ 정도인 것 또는 증류수와 부동액이 혼합된 것이 적당하며, PCM의 순환을 원활하게 하고 부동액의 역할을 하는 순환하지 않는 PCM은 녹는점이 17∼20℃인 것이 적당하다.

PCM 셀(10)은 연결관(12)을 중심으로 좌우로 길게 연장된 몸체(11)를 갖는다. 몸체(11)가 이러한 형상인 것은 PCM의 흡열 면적을 넓히기 위함이다. 몸체(11)의 상면 중앙에는 PCM 셀(10)을 천장에 부착할 수 있는 연결관(12)이 설치되는 연결고리(13)가 있다. PCM 셀(10)은 연결고리(13)를 중심으로 좌측과 우측으로 나뉘고, 각각에는 원통상의 충진관(15)이 있어 PCM이 충진된다. 충진관(15)에는 순환하는 PCM이, 충진관의 외부(15b)에는 순환하지 않는 PCM이 충진된다. 충진관(15)의 내벽은 PCM이 순환하는 데 무리가 없도록 멜라민이나 테프론 등으로 코팅되어 있다. 몸체(11)의 하면에는 다수의 흡열판(17)이 돌출되어 있어 PCM의 흡열 면적을 넓힌다.

다시 도1과 도2를 참조하면, 순환펌프(20)는 PCM 셀(10) 내의 PCM을 순환시킨다. PCM의 순환은 컨트롤기(44)에 의해 조절되는데, 공조공간(6)의 온도가 높아지면 PCM이 열을 흡수하여 상변화를 하고, 컨트롤기(44)에서 측정한 온도가 설정온도 이상이 되면 순환펌프(20)가 작동되어 PCM을 순환시킨다.

파이프(22)는 PCM 셀(10)과 순환펌프(20)와 방열기(30)를 연결한다. PCM은 파이프(22)를 타고 순환하는데, PCM의 순환이 원활하도록 하기 위하여 파이프(22)의 내벽은 멜라민이나 테프론 등으로 코팅된다.

도4를 참조하면, 방열기(30)는 공조공간(6)의 외부에 설치된다. 방열기(30)는 방열기(30) 전체의 상부에 빛을 차단하는 차단막(31)을 갖는다. 차단막(31)은 사각형 판으로, 상단에서 하단으로 내려가면서 볼록하게 굽은 형태이다. 차단막(31)은 방열기(30)가 외부에 그대로 노출되면 외부로부터 오는 빛과 열로 인해 PCM을 충분히 냉각하지 못할 경우가 있으므로, 방열기(30)의 상부에 설치한다. 차단막(31)의 아래에는 PCM의 순환을 원활하게 하기 위해 그물망(31a)을 3개 설치한다. 차단막(31)의 각 모서리에는 차단막(31)을 지지하기 위한 지지대(32)가 설치된다.

방열기(30)는 상부 PCM 탱크(33)를 가지며, 상부 PCM 탱크(33)로부터 일정 거리와 일정 높이 아래에는 하부 PCM 탱크(35)가 있다. 상부 PCM 탱크(33)와 하부 PCM 탱크(35)는 다수의 열관(36)에 의해 연결된다.

도5a를 참조하면, PCM의 열교환이 일어나는 열관(36)에는 외곽파이프(36a)가 그 외곽을 둘러싸고 있다. 외곽파이프(36a)는 순환하는 PCM과 녹는점이 다른 PCM이 충진되어 있어, 파이프(36a)를 통과하는 PCM의 순환을 원활하게 한다. 외곽파이프(36a)의 바깥 가장자리와 안쪽 가장자리에는 다수의 돌기판(36b)이 형성되어 있어, 열교환 면적을 넓힌다.

도5b는 열관(36)의 다른 실시예로서, 그 단면이 삼각형 형상을 띠고 있다. 열관(36)의 형상은 외부와 열교환이 효율적으로 일어날 수 있도록 열교환 면적을 넓히기 위한 구조로 되어 있으므로 원형이 적당하나, 실시예에 따라서 삼각형, 사각형 등의 구조도 가능하다.

열관(36)을 통과하는 PCM은 냉각되어 고체가 되고, 다시 외곽파이프(36a)에 채워진 일정온도 이상의 순환하지 않는 PCM으로 인해 액체가 되어 자연스럽게 순환하게 된다. 본 발명의 출원인이 특허출원한 "열파이프(출원번호 : 10-2000-0002717)"에는 이러한 원리가 설명되어 있다.

이렇게 상부 PCM 탱크(33)에 모인 PCM은 열관(36)을 통과하여 냉각되어 하부 PCM 탱크(35)로 모인다. 열관(36)의 하부에는 열관(36)에서 발생하는 열을 외부로 발열시키는 냉각팬(37)이 있다. 방열기(30)의 방열은 평상시 열관(36)을 통해 자연적으로 이루어지며, 외부온도가 높을 때에는 냉각팬(37)을 작동하여 이루어진다.

상부 PCM 탱크(33)의 상부에는 상부 PCM 탱크의 크기보다 더 큰 크기의 PCM 보조탱크(38)가 연결되어 있어서, 위에서 밑으로 압력을 가하여 상부 PCM 탱크(33)에서 하부 PCM 탱크(35)로 PCM을 밀어주므로 PCM의 순환을 원활하게 한다. PCM 보조탱크(38)가 압력을 가해 주더라도 상부 PCM 탱크(33)에 연결된 파이프(22c)에서 PCM이 위로 올라오는 것을 막는 힘이 생긴다면 PCM 보조탱크(38)는 제 기능을 하지 못할 것이다. 이러한 현상을 막기 위해 열관(36)의 구조는 위쪽, 즉 상부 PCM 탱크(33)와 인접한 부분에서 아래로 일정한 각도를 주어 꺾어져서 하부 PCM탱크(35)로 연장되게 하였다.

PCM 보조탱크(38)와 상부 PCM 탱크(33) 사이에는 연결파이프(39)가 있는데, 이에 대한 설명은 실시예 2에서 하기로 한다.

다시 도1과 도2를 참조하면, 팬코일 유니트(40)는 공조공간(6)의 내부에 설치되고, 냉각된 PCM을 통과시켜 냉기를 공조공간(6)에 공급한다.

냉각기(42)는 PCM 셀(10)과 방열기(30) 사이 공조공간(6)의 외부에 설치된다. 냉각기(42)는 외부온도가 너무 높아서 열관(36)과 냉각팬(37)만으로 설정온도 이하로 PCM의 온도를 하강시키지 못할 때 사용된다.

냉각기(42)는 PCM 저장탱크(도면상 미도시, 후술할 실시예 2의 PCM 저장탱크와 같은 역할을 함)와 연결될 수도 있다. PCM 저장탱크는 PCM이 충진된 다수의 구형 PCM 캡슐을 감싸는 다수의 코일형의 동파이프를 포함하며, 공조공간 외부의 땅 속에 매립되어 냉각기(42)와 연결된다.

컨트롤기(44)는 전자장비(5)와 PCM 셀(10)이 위치하는 공조공간(6)의 내벽에설치되어 있다. 컨트롤기(44)는 공조공간(6)의 온도를 측정하고, 공조공간(6)의 온도가 설정온도 이상이 되면 순환펌프(20)를 작동시킨다. 또한 컨트롤기(44)는 냉각팬(37) 및 냉각기(42)의 작동을 자동조절한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 PCM을 이용한 공조시스템의 작동을 상세히 설명한다.

도1과 도2를 참조하면, 전자장비(5)가 가동되면 시간이 지남에 따라 전자장비(5)에서 열이 발생하여 전자장비(5)의 온도가 상승하게 되고, 온도가 과도하게 상승하면 전자장비(5)에 손상이 올 수 있으므로, 전자장비(5)를 냉각하여 전자장비(5)가 위치한 공조공간(6)의 온도를 적정 온도로 유지시켜야 한다. 따라서 에어콘(도면상 미도시)과 본 발명에 의한 공조시스템(1)을 동시에 가동하여 전자장비(5)를 냉각하고 공조공간(6)의 온도를 적정 온도로 유지시킨다.

공조공간(6)의 온도가 설정온도 이상으로 상승하면 컨트롤기(44)에서 이를 감지하여 순환펌프(20)를 작동시키고, PCM 셀(10)에 충진된 PCM은 전자장비에서 발생하는 열로 인해 공조공간(6)의 온도가 상승할 경우 열을 흡수하여 상변화한다. PCM은 고체에서 액체로 변화할 때 잠열을 흡수하여 공조공간(6)의 온도를 낮추고, 액체상태가 된 PCM은 파이프(22)를 타고 순환하게 된다. 물론 이때 순환하는 PCM은 내파이프(22a)를 타고 순환하게 된다.

도4를 참조하면, 상부 PCM 탱크(33)에 연결된 파이프(22c)를 통해 상부 PCM 탱크(33)에 모인 PCM은 열관(36)을 통과하여 냉각되어 하부 PCM 탱크(35)에 모인다. 외부온도가 액화된 PCM의 온도보다 낮을 때는 열관(36)을 통과하는 것만으로 도 PCM이 냉각될 수 있지만, 외부온도가 높을 때는 냉각팬(37)을 이용하여 PCM을 더 냉각해 주어야 한다. 냉각팬(37)의 작동은 컨트롤기(44)에 의해 조절된다. 하부 PCM 탱크(35)에 모인 PCM은 하부 PCM 탱크(35)에 연결된 파이프(22d)를 통해 다시 PCM 셀(10)로 되돌아가는 순환을 계속하게 된다.

다시 도1과 도2를 참조하면, 외부온도가 너무 높아 열관(36)과 냉각팬(37)만으로 PCM의 온도를 설정온도 이하로 하강시키지 못할 경우 냉각기(42)를 작동시킨다. PCM 셀(10)에서 열을 흡수한 PCM은 컨트롤기(44)의 신호에 따라 작동된 순환펌프(20)에 의해 파이프(22)를 타고 순환하며, 방열기(30)의 열관(36)을 통과하여 냉각되어 다시 파이프(22)를 타고 팬코일 유티트(40)를 통과하여 냉기를 공조공간(6)에 공급한다. 만약 외부온도가 높을 경우는 냉각팬(37)이 컨트롤기(44)에 의해 작동하며, 온도가 더 높아질 때에는 역시 컨트롤기(44)에 의해 냉각기(42)가 작동되어 PCM은 냉각기(42)에서 충분히 냉각되고 팬코일 유니트(40)을 통과하여 PCM 셀(10)로 돌아오는 순환을 하게 된다.

실시예 2

실시예 2는 셀터형 공조시스템을 나탄내다. 셀터형 공조시스템이란 전자장비가 위치한 공조공간이 건물이 아닌 컨테이너인 것을 의미한다. 실시예 2에서도 PCM의 상변화에 따른 잠열을 이용하여 전자장비를 냉각시키는 원리는 실시예 1과 동일하다.

도6은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 PCM을 이용한 공조시스템의 전체구성도를, 도7은 도6의 벽체의 부분사시도를, 도8은 도7의 PCM 관에 PCM 케이스를 삽입한 상태도를, 도9는 도6의 방열기의 단면도를, 도10은 도9의 연결파이프의 단면도를 나타낸다.

도6을 참조하면, 공조시스템(2)은 벽체(46), 방열기(50), 냉각기(70), 컨트롤기(72)를 포함한다.

도7을 참조하면, 벽체(46)는 두께가 75mm로, 단열재인 우레탄 폼으로 제작되어 있고, 벽체(46) 내벽에 다수의 PCM 관(48)이 있어서 PCM이 충진된다. PCM 관(48)에 충진되는 PCM은 순환하지 않는 PCM으로서, 공조시스템의 안정화를 위해 사용된다. 즉, 단열재만으로 벽체(46)를 제작하면 내부 온도는 일정하지만 외부로 열을 발산할 수 없고, 열전도율이 높은 알루미늄과 같은 재료로 벽체(46)를 처리하면 열이 너무 쉽게 출입하게 되므로 엘니뇨와 같은 이상기후 현상으로 인해 외부 온도가 너무 높거나 너무 낮게 되면 공조공간의 온도 편차가 너무 크게 된다. 따라서 비열이 높은 액체인 PCM을 충진함으로써 외부 온도의 급격한 변화에도 온도 편차가 크지 않으면서 내부 온도를 어느정도 일정하게 유지할 수 있도록 하여 전체적인 시스템의 안정화를 기할 수 있다.

도8을 참조하면, PCM 관(48)에는 PCM을 직접 충진하는 것이 아니라, 알루미늄 재질의 PCM 케이스(48a)를 삽입하여 PCM을 충진한다. PCM 케이스(48a)에는 PCM이 90% 충진되고, 나머지 10%는 진공상태로 되어 있다.

도9를 참조하면, 방열기(50)는 차단막(51), 그물망(51a), 상부 흡열 PCM 탱크(52a), 하부 흡열 PCM 탱크(52b), 흡열판(53), 상부 방열 PCM 탱크(54a), 하부 방열 PCM 탱크(54b), 방열판(55), 하부열관(56a), 상부열관(56b), 냉각팬(57), PCM 보조탱크(58), PCM 저장탱크(60)를 포함한다.

이중에서, 상부 흡열 PCM 탱크(52a), 하부 흡열 PCM 탱크(52b), 흡열판(53), 하부열관(56a), PCM 저장탱크(60)은 공조공간의 내부에 설치되는 흡열부이고, 차단막(51), 상부 방열 PCM 탱크(54a), 하부 방열 PCM 탱크(54b), 방열판(55), 상부열관(56b), 냉각팬(57), PCM 보조탱크(58)는 공조공간의 외부에 설치되는 방열부이다.

차단막(51)은 방열기(50)가 외부에 그대로 노출되면 외부로부터 오는 빛과 열로 인해 PCM을 충분히 냉각하지 못할 경우가 있으므로, 방열기(50)의 상부에 설치한다. 그물망(51a)은 방열기(50)가 PCM의 냉각과 순환을 원활하게 하기 위하여 설치되며 차단막(51) 아래 세 개를 단다.

상부 흡열 PCM 탱크(52a)와 하부 흡열 PCM 탱크(52b)가 이루는 각도는 5°이며, 상부 방열 PCM 탱크(54a)와 하부 방열 PCM 탱크(54b)가 이루는 각도는 20°이다. 상부 흡열 PCM 탱크(52a), 하부 흡열 PCM 탱크(52b), 상부 방열 PCM 탱크(54a), 하부 방열 PCM 탱크(54b), 하부열관(56a), 상부열관(56b)을 연결하는 파이프는 PCM의 순환을 원활하게 하기 위하여 멜라민이나 테프론 등으로 코팅되어 있다.

각각의 PCM 탱크들(52a, 52b, 54a, 54b, 58, 60)에는 PCM이 들어있고, 이 안에 들어있는 PCM은 온도 변화에 따라 순환을 한다.

흡열판(53)과 방열판(55)은 흡열 및 방열의 면적을 넓힘으로써 흡열 및 방열 효율을 높인다.

다수의 하부열관(56a)은 PCM이 하부 흡열 PCM 탱크(52b)에서 상부 흡열 PCM 탱크(52a)로 이동하면서 잠열을 흡수하는 통로이고, 다수의 상부열관(56b)은 PCM이 상부 방열 PCM 탱크(54a)에서 하부 방열 PCM 탱크(54b)로 이동하면서 냉각되는 통로이다. 상부열관(56b)도 실시예 1과 같은 이유에서 위쪽, 즉 상부 방열 PCM 탱크(54a)와 인접한 부분에서 아래로 일정한 각도를 주어 꺽어지게 하였다. 또한,하부열관(56a)과 상부열관(56b)도 실시예 1과 같은 이유로 외곽파이프(도면상 미도시)에 의해 둘러싸여 이중관의 형상을 띠고 있다.

방열기(50)의 방열은 평상시 상부열관(56b)을 통해 자연적으로 이루어지며, 외부온도가 높을 때에는 냉각팬(57)을 작동하여 이루어진다.

상부 방열 PCM 탱크(54a)의 상부에는 상부 방열 PCM 탱크(54a)의 크기보다 더 큰 크기의 PCM 보조탱크(58)가 연결되어 있어서, 위에서 밑으로 압력을 가하여 상부 방열 PCM 탱크(54a)에서 하부 방열 PCM 탱크(54b)로 PCM을 밀어주므로 PCM의 순환을 원활하게 한다. PCM 보조탱크(58)와 상부 방열 PCM 탱크(54a) 사이에는 연결파이프(59)가 있다.

도10을 참조하면, 연결파이프(59)는 내벽의 일부가 두껍게 되어 있어 모세관 현상으로 인해 PCM 보조탱크(58)에서 상부 방열 PCM 탱크(54a)로 가하는 압력을 크게 한다. 이것은 실시예 1의 도5에서 PCM 보조탱크(38)와 상부 PCM 탱크(33)를 연결하는 연결파이프(39)에서도 마찬가지이다.

다시 도9를 참조하면, PCM 저장탱크(60)는 하부 흡열 PCM 탱크(52b)에서 상부 흡열 PCM 탱크(52a)로, 또 상부 방열 PCM 탱크(54a)에서 하부 방열 PCM 탱크(54b)로 순환하는 PCM이 온도 범위에 따라서 순환할 수 있도록 잠시 저장하여 두는 곳이다. 상부 흡열 PCM 탱크(52a)에는 PCM 저장탱크(60)의 위쪽과 가깝도록 연결된 상승관(62)이 있어 온도가 상승한 PCM이 위로 상승하기 쉽도록 하며, 하부 방열 PCM 탱크(54b)에는 PCM 저장탱크(60)의 아래쪽과 가깝도록 연결된 하강관(64)이 있어 냉각된 PCM이 아래로 쉽게 떨어지게 되어 있다.

PCM 저장탱크(60)는 동파이프(66)를 포함하는데, 동파이프(66)에는 냉매가 채워져서 도6의 냉각기(70)와 연결된다.

이하, 도면을 참조하여 실시예 2에 따른 PCM을 이용한 공조시스템의 작동을 상세하게 설명한다.

도6 및 도9를 참조하면, 벽체(46) 내벽의 PCM 관(48)에 충진된 PCM은 전자장비의 가동으로 인해 온도가 올라가면 잠열을 흡수하여 상변화를 한다. 하지만 이 PCM은 순환하지는 않고, PCM 관(48)에 그대로 보유되어 있다. 방열기(50)의 흡열부에서 하부 흡열 PCM 탱크(52b)에 있던 PCM은 흡열판(53)을 통해 잠열을 흡수하여 상변화하고, 온도가 상승한 PCM은 하부열관(56a)을 지나면서 상부 흡열 PCM 탱크(52a)로 이동한다. PCM은 PCM 저장탱크(60)의 윗부분으로 이동하고, 다시 상부 방열 PCM 탱크(54a)로 이동한다. PCM은 방열판(55)을 통해 열을 방출하고, 상부열관(56b)를 지나면서 냉각되어 하부 방열 PCM 탱크(54b)로 모였다가 다시 PCM 저장탱크(60)으로 이동하는 순환을 반복한다.

외부의 온도가 높을 경우에는 컨트롤기(72)의 조절에 의해 냉각팬(57)과 냉각기(70)가 가동되어 PCM을 추가로 냉각한다.

아래의 표1은 본 발명에 따른 PCM을 이용한 공조시스템으로 교체했을 경우 연간 전기료 절감액을 나타내는 표이며, 도11은 이것을 나타낸 그래프이다.

구분	절약비율	냉방기전력	본 발명에 의한공조시스템의 전력	전기료/년(원)	절감비용(원)
3RT	50%	15,120kw/h	5,760kw/h	1,506,116	640,804
3RT	80%	6,048kw/h	5,760kw/h	862,040	1,284,880
6RT	50%	33,264kw/h	5,760kw/h	2,756,540	1,891,228
6RT	80%	13,305kw/h	5,760kw/h	1,362,209	3,285,559

표1 및 도11을 참조하면, 건물형 공조시스템에서 기존 에어콘 3RT의 80%를 본 발명에 따른 PCM을 이용한 공조시스템으로 교체하였을 경우 연간 1,284,880원의 절감효과가 있고, 기존 에어콘 6RT의 80%를 본 발명에 따른 PCM을 이용한 공조시스템으로 교체하였을 경우에는 연간 3,285,559원의 절감효과가 있다.

이상, 본 발명에 따른 PCM을 이용한 공조시스템을 실시예들을 들어 설명하였으나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정 또는 변경을 가하는 것도 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

특히, 파이프를 타고 순환하는 PCM의 경우는 포접화합물(clathrate cocpound)이라는 다른 물질로 대체될 수 있다.

포접화합물은 원자가 화학결합에 의하여 3차원 골격구조를 만들고 그 격자 내에 적당한 크기의 틈이 생길 때 다른 원자 또는 분자가 화학결합에 의하지 않고 들어가서 거의 일정한 조성의 결정구조가 되는 물질을 말한다. 예를 들어 물과 탄화수수물인 R-141b를 혼합하여 냉각시키명 일정 온도에서 물분자 내부에 R-141b를 게스트(guest)로 하여 다면체 구조인 격자형태의 결정체가 형성된다. 유체상태의 물과 R-141b를 혼합하면 이들이 분리되어 경계층을 이룬다. 이들은 강제 교반과정을 통해 clathrate 결정체가 형성되어 잠열을 방출하며, 결정 사이사이에 물이 스며들어 슬러리를 형성한다.

포접화합물은 얼음이 아닌 반액체의 슬러리 형태를 이루기 때문에 유동성이 좋고, 순간부하 처리능력이 뛰어나다. 또한 물과 모분자인 HCl C 141b는 화학적으로 안정되어 제빙과 해빙시 부패 또는 분해되지 않으며, 제빙과 해빙을 수천회 반복해도 열화되지 않아 잠열량의 변화가 없어 반영구적이며, 잠열량이 크고 환경친화적이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, PCM을 냉매로 하여 PCM의 상변화에 따른 잠열을 이용하여 전자장비를 냉각시키는 PCM을 이용한 공조시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 PCM을 다수의 흡열판을 갖는 PCM 셀에 충진하여 PCM이 보다 효과적으로 열을 흡수함으로써 냉각효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 전자장비가 위치한 공조공간이 컨테이너인 셀터형 공조시스템에 있어서 PCM을 벽체 내벽의 PCM 관에 충진하여 급격한 온도 변화에도 온도 편차가 크지 않으면서 내부 온도를 어느정도 일정하게 유지할 수 있다.

본 발명에 따른 공조시스템을 에어콘과 함께 가동할 경우, 에어콘의 전력소모를 줄일 수 있고, 에어콘의 고장시에도 과도한 열 발생으로 인한 전자장비의 손상을 막을 수 있다.

Claims

열발생원인 전자장비가 위치한 공조공간에 설치되고,

내부에 PCM이 충진되어 상기 PCM이 전자장비에서 방출하는 열을 흡수하도록 하는 충진관;을 갖는 PCM 셀과:

상기 PCM 셀이 위치하는 공조공간의 외부에 설치되고,

상기 공조공간으로부터 연장된 파이프와 연결되는 상부 PCM 탱크와;

상기 상부 PCM 탱크로부터 일정 거리와 일정 높이 아래에 위치하고 상기 공조공간으로 연장되는 파이프와 연결되는 하부 PCM 탱크와;

상기 상부 PCM 탱크와 상기 하부 PCM 탱크를 연결하여 상기 PCM이 하강하면서 열을 방출하도록 하는 다수의 열관;을 포함하는 방열기와:

상기 PCM 셀과 상기 방열기를 연결하여 상기 PCM의 순환통로가 되는 파이프:를 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 1항에 있어서,

상기 PCM 셀의 충진관은 상기 충진관에 충진된 PCM과 녹는점이 다른 PCM을 충진하여 상기 충진관에 충진된 PCM의 순환을 원활하게 하는 제2충진관을 추가로 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 2항에 있어서,

상기 PCM 셀은 상기 PCM의 열흡수면적을 넓히기 위해 돌출된 다수의 흡열판을 추가로 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 1항에 있어서,

상기 방열기는 상기 상부 PCM 탱크의 위쪽으로 연결파이프로 연결되며, 상기 상부 PCM 탱크에서 상기 하부 PCM 탱크로 압력을 가해주어 상기 PCM의 순환을 원활하게 하는 PCM 보조탱크를 추가로 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 4항에 있어서,

상기 방열기의 열관은 상기 상부 PCM 탱크와 연결된 곳에서 아래로 꺾여 둔각을 이루며 상기 하부 PCM 탱크로 연장되는 것을 특징으로 하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 4항에 있어서,

상기 연결파이프는 내벽이 축소-확대 노즐 형상을 이루어 상기 PCM 보조탱크에서 상기 상부 PCM 탱크로 가하는 압력을 크게 해 주는 것을 특징으로 하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 1항에 있어서,

상기 방열기는 상기 열관의 외곽을 둘러싸고, 내부에 상기 PCM과 녹는점이다른 PCM이 충진되어 상기 파이프를 통과하는 상기 PCM의 순환을 원활하게 하는 외곽파이프를 추가로 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 1항에 있어서,

상기 PCM 셀 내의 PCM을 순환시키는 순환펌프와;

상기 PCM 셀이 위치하는 공조공간에 설치되어 상기 공조공간의 온도를 측정하고, 상기 온도가 설정온도 이상인 경우 상기 순환펌프를 작동시키는 컨트롤기;를 추가로 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.
열발생원인 전자장비가 위치한 공조공간인 컨테이너의 내부에 위치하고,

PCM이 채워진 하부 흡열 PCM 탱크와;

상기 하부 흡열 PCM 탱크로부터 일정 거리와 일정 높이 위에 위치하는 상부 흡열 PCM 탱크와;

상기 하부 흡열 PCM 탱크와 상기 상부 흡열 PCM 탱크를 연결하고, 상기 PCM이 열을 흡수하여 상기 상부 흡열 PCM 탱크로 이동하도록 하는 하부열관과;

상기 상부 흡열 PCM 탱크에서 연장되어 온도가 상승한 상기 PCM이 위로 상승하기 쉽도록 하는 상승관과, 하기 하부 방열 PCM 탱크에서 연장되어 냉각된 상기 PCM이 아래로 떨어지기 쉽도록 하는 하강관이 연결되고, 상기 PCM이 순환할 때 상기 PCM을 잠시 저장하는 PCM 저장탱크;를 포함하는 흡열부와:

상기 공조공간의 외부에 위치하고,

상기 PCM 저장탱크와 파이프를 통해 연결되는 상부 방열 PCM 탱크와;

상기 상부 방열 PCM 탱크로부터 일정 거리와 일정 높이 아래에 위치하는 하부 방열 PCM 탱크와;

상기 상부 방열 PCM 탱크와 상기 하부 방열 PCM 탱크를 연결하여 상기 PCM이 하강하면서 열을 방출하도록 하는 상부열관;을 포함하는 방열부:를 포함하는 방열기를 갖는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 9항에 있어서,

상기 컨테이너의 내벽에 설치되고 내부에 PCM이 충진되어 외부 온도의 급격한 변화에도 상기 공조시스템의 안정화를 기할 수 있는 PCM 관을 추가로 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 9항에 있어서,

상기 방열기는 상기 상부 방열 PCM 탱크의 위쪽으로 연결파이프로 연결되며, 상기 상부 방열 PCM 탱크에서 상기 하부 방열 PCM 탱크로 압력을 가해주어 상기 PCM의 순환을 원활하게 하는 PCM 보조탱크를 추가로 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 11항에 있어서,

상기 방열기의 상부열관은 상기 상부 방열 PCM 탱크와 연결된 곳에서 아래로꺾여 둔각을 이루며 상기 하부 방열 PCM 탱크로 연장되는 것을 특징으로 하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 11항에 있어서,

상기 연결파이프는 내벽이 축소-확대 노즐 형상을 이루어 상기 PCM 보조탱크에서 상기 상부 방열 PCM 탱크로 가하는 압력을 크게 해 주는 것을 특징으로 하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 4항 또는 제 11항에 있어서,

상기 방열기는 외부로부터 오는 빛과 열을 차단하여 상기 PCM의 냉각을 보다 효율적으로 하게 하는 차단막을 추가로 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 14항에 있어서,

상기 차단막의 아래에 3∼4개가 설치되어 열전달 면적을 높이고, 상기 PCM의 냉각을 보다 효율적으로 하게 하는 그물망을 추가로 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 1항 또는 제 9항에 있어서,

상기 방열기는 외부의 온도가 높아 상기 PCM을 충분히 냉각할 수 없을 때 가동되는 냉각팬을 추가로 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 9항에 있어서,

상기 방열기는 상기 상부열관 및 상기 하부열관의 외곽을 둘러싸고 내부에 상기 PCM과 녹는점이 다른 PCM이 충진되어, 상기 상부열관 및 상기 하부열관을 통과하는 상기 PCM의 순환을 원활하게 하는 외곽파이프를 추가로 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 5항 또는 제 9항에 있어서,

상기 열관의 단면의 형상은 원형 또는 삼각형인 것을 특징으로 하는 PCM을 이용한 공조시스템.
제 8항 또는 제 9항에 있어서,

상기 공조공간의 외부에 설치되어 외부 온도가 너무 높아서 설정온도 이하로 상기 PCM을 냉각시키지 못할 때 가동되는 냉각기를 추가로 포함하는 PCM을 이용한 공조시스템.