KR20030016945A - 수소저장합금을 이용한 냉난방기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉난방기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소저장합금에 수소가 흡장되거나 분리될 때에 일어나는 발열반응 및 흡열반응을 이용하여 실내에 냉기 또는 온기를 공급시키도록 하는 냉난방기에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 본체(1) 내부에 각각 대향되도록 설치되며, 그 내부에는 수소저장합금이 충전되어 수소의 흡장 또는 분리에 의해 흡열반응과 발열반응을 번갈아 수행하는 한 쌍의 반응기(2,2a)와; 상기 각 반응기에 양단부가 연결되어 수소가 유동하는 수소 유로관(3)과; 상기 수소 유로관에 연결되어 일측의 반응기(2)에 위치한 수소를 타측의 반응기(2a)로 압송시키는 펌핑 수단(4)과; 실외 및 실내 공기가 일측 및 타측 반응기를 통과하도록 공기의 유동을 안내하는 덕트(5)와; 상기 각 반응기 사이에 설치되어 각 반응기를 거친 공기의 유동방향이 실내측 혹은 실외측을 향하도록 선택적으로 절환되는 공기 유동 절환 수단(6)과; 상기 공기 유동 절환 수단에 의해 유동방향이 결정된 공기를 실내 및 실외로 각각 강제 토출시키는 송풍 수단(7)을 포함하여 이루어진 수소저장합금을 이용한 냉난방기를 제공한다.

Description

수소저장합금을 이용한 냉난방기{air conditioner using hydrogen storage alloy}

본 발명은 냉난방기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소저장합금을 이용한 냉난방기에 관한 것이다.

일반적으로 수소는 고압 및 극저온에서 고압용기에 액체 상태로 저장된다.

상기와 같이 고압 및 극저온 상태에서 수소가 저장되더라도 수소 고유의 낮은 밀도 때문에 고압 용기에 저장할 수 있는 수소의 양이 제한되며, 상기 수소 저장용기는 부피가 크고 하중이 크므로 운반 및 사용에 많은 제한을 받는다.

최근에는 이에 대한 수소 저장방법의 대안으로 수소저장합금(hydrogen storage alloy)을 이용함으로써, 수소저장합금에 수소를 흡장시켜 수소를 저장하는 방법을 사용하기도 한다.

이와 같이 수소저장합금을 이용하여 수소를 저장하면, 수소저장 용량이 중량비로 보면 매우 낮으나 체적비로 보면 수소 가스나 액체 수소보다 높기 때문에 보다 많은 양의 수소를 저장시킬 수 있다.

상기 수소저장합금은 수소와의 친화력이 매우 큰 원소와 친화력이 약한 원소로 구성된 금속 화합물로서, 수소저장합금으로는 Mg-Ni 합금, Mg-Cu 합금, Ti-Ni 합금 등을 예시할 수 있다.

이와 같은 수소저장합금에 수소가 흡장(occlusion)될 때에는 발열반응이 일어나고, 상기 수소저장합금으로부터 수소가 이탈(removal)될 때에는 흡열반응이 일어난다.

이러한 수소저장합금은 수소를 저장하는 수소저장재료, 에너지 변환 장치, 전지 재료, 냉난방 장치 등과 같이 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.

본 발명은 냉난방기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소저장합금에 수소가 흡장되거나 분리될 때에 일어나는 발열반응과 흡열반응을 이용하여 실내로 냉기 또는 온기를 공급하도록 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 수소저장합금을 이용한 냉난방기의 개략적인 구조와 난방 운전시 공기의 유동방향을 나타낸 개략도.

도 2는 도 1의 냉난방기의 난방 운전시 공기의 유동방향을 나타낸 개략도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 본체 1a : 열교환실

2,2a : 반응기 3 : 수소 유로관

4 : 펌핑 수단 5 : 덕트

6 : 공기 유동 절환 수단 6a : 절환 댐퍼

6b : 모터 7 : 송풍 수단

51,52 : 실외 공기 흡입 덕트 53,54 : 실내 공기 흡입 덕트

51a,52a,53a,54a : 유로 개폐 수단

55 : 실내측 토출 덕트 56 : 실외측 토출 덕트

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 본체 내부에 각각 대향되도록 설치되며, 그 내부에는 수소저장합금이 충전되어 수소의 흡장 또는 분리에 의해 흡열반응과 발열반응을 번갈아 수행하는 한 쌍의 반응기와; 상기 각 반응기에 양단부가 연결되어 수소가 유동하는 수소 유로관과; 상기 수소 유로관에 연결되어 일측의 반응기에 위치한 수소를 타측의 반응기로 압송시키는 펌핑 수단과; 실외 및 실내 공기가 일측 및 타측 반응기를 통과하도록 공기의 유동을 안내하는 덕트와; 상기 각 반응기 사이에 설치되어 각 반응기를 거친 공기의 유동방향이 실내측 혹은 실외측을 향하도록 선택적으로 절환되는 공기 유동 절환 수단과; 상기 공기 유동 절환 수단에 의해 유동방향이 결정된 공기를 실내 및 실외로 각각 강제 토출시키는 송풍 수단을 포함하여 이루어진 수소저장합금을 이용한 냉난방기를 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 수소저장합금을 이용한 냉난방기에 관해 참조도면 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 수소저장합금을 이용한 냉난방기의 개략적인 구조와 난방 운전시 공기의 유동방향을 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1의 냉난방기의 난방 운전시 공기의 유동방향을 나타낸 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명 수소저장합금을 이용한 냉난방기는 반응기(2,2a), 수소 유로관(3), 펌핑 수단(4), 덕트(5), 공기 유동 절환 수단(6) 및 송풍 수단(7)으로 이루어진다.

상기 반응기(2,2a)는 본체(1) 내부에 형성된 열교환실(1a)에 상호 대향되도록 설치되고, 그 내부에는 수소저장합금이 충전(charge)되어 상기 수소저장합금에 수소가 흡장 또는 분리됨에 의해 흡열반응과 발열반응을 번갈아 수행한다.

또한, 각 반응기에는 수소 유로관(3)이 연결되어, 어느 하나의 반응기에 충전된 수소저장합금으로부터 분리된 수소를 다른 하나의 반응기로 유동시키는 통로를 형성한다.

이하, 설명의 편의를 위해 도면의 좌측에 있는 반응기(2)를 일측 반응기로 하고 우측에 있는 반응기(2a)를 타측 반응기로 칭하기로 한다.

상기 수소 유로관(3)에는 일측 반응기(2)에 위치한 수소를 타측 반응기(2a)로 압송시키거나 또는 이와 반대로 압송시키도록 펌핑수단(4)이 연결된다.

이때, 상기 펌핑수단으로는 압축기를 적용하는데, 상기 펌핑수단은 수소 유로관(3)에 소정의 압력을 형성함으로써 수소를 유동시킨다.

그리고, 본체(1)에는 실외 및 실내 공기가 일측 반응기(2)와 타측 반응기(2a)를 통과하도록 공기의 유동을 안내하는 덕트(5)가 연결되는데, 상기 덕트(5)는 공기 흡입 덕트(51,52,53,54) 및 토출 덕트(55,56)로 이루어진다.

즉, 상기 덕트(5)는 실외공기를 흡입하여 각 반응기(2,2a)를 통과하도록 그유동을 안내하는 한 쌍의 실외공기 흡입 덕트(51,52)와, 실내 공기를 흡입하여 각 반응기(2,2a)를 통과하도록 그 유동을 안내하는 한 쌍의 실내 공기 흡입 덕트(53,54)와, 상기 각 반응기(2,2a)를 통과한 공기가 실외로 토출되도록 그 유동을 안내하는 실외측 토출 덕트(56)와, 상기 각 반응기(2,2a)를 통과한 공기가 실내로 토출되도록 그 유동을 안내하는 실내측 토출 덕트(55)로 이루어진다.

다시 말하면, 도 1과 같이 일측 반응기(2)가 설치되는 본체 부분에 실외와 연통되는 실외 공기 흡입 덕트(51)가 설치됨과 동시에 실내와 연통되는 실내 공기 흡입 덕트(53)가 설치되며, 타측 반응기(2a)에도 실외 공기 흡입 덕트(52)와 실내 공기 흡입 덕트(54)가 설치된다.

따라서, 상기 각 반응기(2,2a)마다 1개의 실외 공기 흡입 덕트와 1개의 실내 공기 흡입 덕트가 연결된다.

상기 각 공기 흡입 덕트(51,52,53,54)에는 유로 개폐 수단(51a,52a,53a,54a)이 설치되어 상기 각 반응기(2,2a)에 연결된 각 덕트의 유로를 개폐시킨다.

예를 들면, 도 1과 같이 일측 반응기(2)에 연결된 덕트 중에서 실내 공기 유입 덕트(53)의 유로를 개방시킴과 동시에 실외 공기 유입 덕트(51)의 유로를 폐쇄시키고, 타측 반응기(2a)에 연결된 덕트 중에서 실내 공기 유입 덕트(54)의 유로를 폐쇄시킴과 동시에 실외 공기 유입 덕트(52)의 유로를 개방시킨다.

이와 같은 유로 개폐 수단(51a,52a,53a,54a)은 회동됨에 따라 실외 공기 흡입 덕트(51,52)와 실내 공기 흡입 덕트(53,54)의 공기 유로를 개방 또는 폐쇄시키는 판상의 덕트 댐퍼와, 상기 덕트 댐퍼를 회동시키도록 설치되는 모터로 이루어진다.

이때, 제어부에 모터의 작동시간을 미리 설정함으로써 주기적으로 모터를 작동시킴에 의해 각 유로를 개폐시킬 수 있음은 이해 가능하다.

또는, 상기 유로 개폐 수단(51a,52a,53a,54a)으로는 밸브를 적용할 수도 있다.

한편, 상기 각 반응기(2,2a) 사이에는 공기 유동 절환 수단(6)이 설치되는데, 상기 공기 유동 절환 수단은 각 반응기를 통과한 공기의 유동방향을 실내측 혹은 실외측으로 향하도록 선택적으로 절환시키는 기능을 한다.

상기 공기 유동 절환 수단은 판상의 절환 댐퍼(6a)와 상기 절환 댐퍼를 회동시키도록 설치되는 모터(6b)로 이루어진다.

이와 같이 구성된 공기 유동 절환 수단에 있어서, 상기 절환 댐퍼(6a)는 회동됨에 의해 각 반응기(2,2a) 사이에 형성된 공간을 대각선 방향으로 차단한다.

예를 들면, 도 1과 같이 상기 절환 댐퍼(6a)는 각 모서리가 일측 반응기(2)의 실외측 모서리에 접촉하고 타측 반응기(2a)의 실내측 모서리에 접촉함에 따라 각 반응기(2,2a)를 통과한 공기가 실내측 혹은 실외측으로 향하도록 공기의 유동방향을 절환시킨다.

이에 따라, 실내 공기는 실내 공기 유입 덕트(53)를 통과하여 일측 반응기(2)를 거치면서 열교환된 다음에 실내측으로 유동되며, 실외 공기는 실외 공기 유입 덕트(52)를 통과하여 타측 반응기(2a)를 거치면서 열교환된 다음에 실외측으로 유동된다.

결국, 실내 공기는 일측 반응기(2)를 거친 후에 다시 실내로 유입되며 실외 공기는 타측 반응기(2a)를 거친 후에 다시 실외로 토출된다.

물론, 각 공기 유입 덕트의 유로 개폐 수단(51a,52a,53a,54a)이 도 1과 같이 개폐된 상태에서 상기 공기 유동 절환 수단(6)만을 반대로 회동시키는 것과 같이, 실외 공기가 타측 반응기(2a)를 거친 후에 실내로 유입되고 실내 공기는 일측 반응기(2)를 거친 후에 실외로 토출되게 할 수도 있다.

한편, 상기 실외측 토출 덕트(56) 근처에는 펌핑 수단(4)을 설치하는 것이 바람직한데, 이는 실외로 토출되는 공기가 펌핑 수단을 거치면서 고온 상태의 펌핑수단을 냉각시키도록 하기 위함이다.

상기 실내측 및 실외측 토출 덕트(56) 근처에는 송풍 수단(7)이 설치되며, 이때 송풍 수단(7)으로는 팬을 적용할 수 있다.

이때, 상기 송풍 수단은 공기 유동 절환 수단(6)에 의해 유동방향이 결정된 공기를 실내 및 실외로 각각 토출시키는 기능을 한다.

이상에서와 같이 구성된 수소저장합금을 이용한 냉난방기의 동작과 이에 따른 작용에 대해 설명함에 있어서, 본 발명이 냉방기능을 수행하든 난방기능을 수행하든 거의 동일하므로 이하에서는 난방기능을 중심으로 설명하기로 한다.

상기 수소 유로관(3)을 통해 타측 반응기(2a)로부터 일측 반응기(2)로 수소가 유동되면, 상기 수소는 일측 반응기(2)에 충전된 수소저장합금에 흡장된다.

이때, 수소가 유입되는 일측 반응기(2)에서는 발열반응이 일어나고 수소가 빠져나가는 타측 반응기(2a)에서는 흡열반응이 일어난다.

상기와 같이 각 반응기(2,2a)에서 반응이 일어나면, 상기 유로 개폐 수단(51a,52a,53a,54a)을 작동시킴으로써 일측 반응기(2)에 연결된 덕트 중에서 실외 공기 흡입 덕트(51)의 유로를 폐쇄시킴과 동시에 실내 공기 흡입 덕트(53)의 유로를 개방시킨다.

또한, 타측 반응기(2a)에 연결된 덕트 중에서 실외 공기 흡입 덕트(52)의 유로를 개방시킴과 동시에 실내 공기 흡입 덕트(54)의 유로를 폐쇄시킨다.

이와 동시에, 상기 공기 유동 절환 수단(6)을 회동시킴으로써, 상기 절환 댐퍼(6a)의 실외측 모서리가 일측 반응기(2)의 실외측 모서리에 접촉되도록 하고 실내측 모서리가 타측 반응기(2a)의 실내측 모서리에 접촉되도록 한다.

그리고, 실외측 및 실외측의 토출 덕트에 설치된 송풍 수단(7)을 가동시킨다.

이처럼 유로 개폐 수단(51a,52a,53a,54a)과 공기 유동 절환 수단(6) 등을 작동시킴으로써, 실내공기가 일측 반응기(2)를 거치면서 가열된 후에 다시 실내로 유입되게 하고, 실외공기가 타측 반응기(2a)를 거치면서 냉각된 후에 다시 실외로 토출된다.

이와 같은 난방기능이 소정시간 동안 수행되면 상기 일측 반응기(2) 내에서는 수소의 흡장이 끝나므로 상기 일측 반응기는 시간이 지남에 따라 식게된다.

시간이 지남에 따라 일측 반응기(2a)가 소정 온도로 식게되면, 상기 펌핑 수단(4)을 가동시켜 수소 유로관(3) 내에 소정의 압력을 형성함으로써 일측 반응기(2)의 수소를 타측 반응기(2a)로 압송시킨다.

이에 따라, 일측 반응기(2)에는 흡열반응이 일어나며 타측 반응기(2a)에서는 발열반응이 일어난다.

이때에, 상기 각 유로 개폐 수단을 동작시킴으로써 도 2와 같이 타측 반응기(2a)에 연결된 실내 공기 흡입 덕트(54)를 개방시킴과 동시에 실외 공기 흡입 덕트(52)를 폐쇄시키고, 일측 반응기(2)에 연결된 실내 공기 흡입 덕트(53)를 폐쇄시킴과 동시에 실외 공기 흡입 덕트(51)를 개방시킨다.

이와 동시에 공기 유동 절환 수단(6)을 회동시킴으로써 상기 절환 댐퍼(6a)의 실외측 모서리가 타측 반응기(2a)의 실외측 모서리에 접촉되도록 하고, 실내측 모서리가 일측 반응기(2)의 실내측 모서리에 접촉되도록 한다.

즉, 각 반응기(2,2a) 사이의 공간을 도 2에 나타난 바와 같이 도 1의 반대되는 대각선방향으로 구획한다.

이처럼 유로 개폐 수단(51a,52a,53a,54a)과 공기 유동 절환 수단(6) 등을 작동시킴으로써, 실내공기는 타측 반응기(2a)를 거치면서 가열된 후에 다시 실내로 유입되고, 실외공기는 일측 반응기(2)를 거치면서 냉각된 후에 다시 실외로 토출된다.

이상에서와 같이, 발열반응이 일어나는 반응기를 거친 공기를 실내로 유입시킴과 동시에 흡열반응이 일어나는 반응기를 거친 공기를 실외로 토출시킴으로써, 상기 냉난방기가 난방기능을 수행하게 할 수 있다.

한편, 상기 수소저장합금을 이용한 냉난방기의 냉방기능은 상술한 난방시와 거의 동일하게 유로 개폐 수단과 공기 유동 절환 수단이 작동되므로 이하 생략하기로 한다.

단지, 냉난방기가 냉방기능을 수행할 경우에는 흡열반응이 일어나는 반응기를 거친 공기가 실내로 토출되도록 하고 발열반응이 일어나는 반응기를 거친 공기는 실외로 토출되도록 한다.

이상에서와 같이, 수소저장합금을 이용한 냉난방기는 수소가스의 발열량 및 흡열량이 크기 때문에 냉난방 효율이 좋고 소모전력량을 감소시킬 수 있다.

또한, 수소와 수소저장합금간의 반응이 신속히 이루어지므로 냉난방 속도가 빠르게 진행될 수 있으며, 냉매를 사용하지 않기 때문에 냉매의 유동 및 상변화시 발생되는 소음을 제거함으로써 저소음 냉난방기를 제작할 수 있다.

최근의 냉난방기의 기술동향으로 볼 때에도 오존층을 보호하기 위해 대체 냉매의 개발이 시급한 실정이므로, 상기 수소저장합금을 이용한 냉난방기를 사용함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 수소저장합금을 이용한 냉난방기를 사용함으로써 냉난방 효율을 향상시키고 절전효과를 얻도록 하였다.

또한, 냉난방기 가동시 소음을 저감시킴으로써 소비자의 기호에 맞는 냉난방기를 공급할 수 있으며, 냉매의 적용을 생략함으로써 환경에 친화적인 제품을 공급할 수 있다.

Claims (10)

1. 본체 내부에 각각 대향되도록 설치되며, 그 내부에는 수소저장합금이 충전되어 수소의 흡장 또는 분리에 의해 흡열반응과 발열반응을 번갈아 수행하는 한 쌍의 반응기와;

   상기 각 반응기에 양단부가 연결되어 수소가 유동하는 수소 유로관과;

   상기 수소 유로관에 연결되어 일측의 반응기에 위치한 수소를 타측의 반응기로 압송시키는 펌핑 수단과;

   실외 및 실내 공기가 일측 및 타측 반응기를 통과하도록 공기의 유동을 안내하는 덕트와;

   상기 각 반응기 사이에 설치되어 각 반응기를 거친 공기의 유동방향이 실내측 혹은 실외측을 향하도록 선택적으로 절환되는 공기 유동 절환 수단과;

   상기 공기 유동 절환 수단에 의해 유동방향이 결정된 공기를 실내 및 실외로 각각 강제 토출시키는 송풍 수단을 포함하여 이루어진 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 덕트는:

   실외 공기를 흡입하여 각 반응기를 통과하도록 그 유동을 안내하는 한 쌍의 실외 공기 흡입 덕트와;

   실내 공기를 흡입하여 각 반응기를 통과하도록 그 유동을 안내하는 한 쌍의 실내 공기 흡입 덕트와;

   상기 각 반응기를 통과한 공기가 실외로 토출되도록 그 유동을 안내하는 실외측 토출 덕트와;

   상기 각 반응기를 통과한 공기가 실내로 토출되도록 그 유동을 안내하는 실내측 토출 덕트로 이루어짐을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 각 공기 흡입 덕트에는 유로 개폐 수단이 각각 설치됨을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 유로 개폐 수단은:

   회동됨에 따라 실외 공기 흡입 덕트와 실내 공기 흡입 덕트의 공기 유로를 차단 또는 개방시키는 판상의 덕트 댐퍼와;

   상기 덕트 댐퍼를 회동시키도록 설치되는 모터로 이루어짐을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 유로 개폐 수단은 밸브인 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한냉난방기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 공기 유동 절환 수단은:

   판상의 절환 댐퍼와;

   상기 절환 댐퍼를 회동시키도록 설치되는 모터로 이루어짐을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 펌핑 수단은 압축기인 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 펌핑 수단은 실외측 토출 덕트 근처에 설치되는 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 송풍 수단은 실내측 및 실외측 토출 덕트에 각각 설치됨을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 송풍 수단은 팬인 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.