KR20030058784A - 열교환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축열물질이 내재된 축열부와, 상기 축열부와 그 축열부에 접촉하며 유동하는 열전달매체 사이에서 열교환이 이루어지도록 형성된 공간인 열전달부를 포함하여 구성된 열교환장치에 있어서, 상기 축열부의 내부에는 상기 축열물질을 내포할 수 있는 다공성 금속물질이 채워진 것을 특징으로 하는 열교환장치를 제시함으로써, 축열물질의 응고 또는 융해 속도를 높이고, 축열 및 방열 효율을 높일 수 있도록 한다.

Description

열교환장치{APPARATUS FOR EXCHANGING HEAT}

본 발명은 열교환장치에 관한 것으로서, 상세하게는, 축열물질이 다공성 금속물질에 내포되는 구조를 취하여 융해두께 및 방열률을 높임으로써, 급속 열방출 또는 축열이 가능한 열저장 및 교환장치에 관한 것이다.

열저장장치의 한 종류로서 잠열 축열 시스템은 축열물질의 상변화에 따른 잠열을 이용하는 것으로, 크게 열교환기 튜브 주위에서 축열물질로 이용되는 상변화 물질이 응고하거나 융해하는 방식과, 밀폐용기 안에 채워진 축열물질이 상변화하여 열을 저장 방출하는 방식의 2종류로 나누어 볼 수 있다.

상기 두가지 방식은 어느 경우나 상변화가 진행됨에 따라 열전달면(열교환기 방식에서는 튜브 벽면, 밀폐용기 방식에서는 밀폐용기의 표면)과 상변화 경계면 사이의 거리가 멀어지고, 그 사이에 채워진 축열물질에 의한 열전달 저항이 증가하는 현상이 발생한다.

따라서, 축열물질의 응고 또는 융해가 진행됨에 따라 그 응고 또는 융해 속도가 저하되고, 축열 및 방열 효율이 감소하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하여, 축열물질의 응고 또는 융해 속도를 높이고, 축열 및 방열 효율을 높일 수 있는 열교환장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 제1실시례의 구조를 도시한 단면도

도 2는 본 발명에 의한 제2실시례의 구조를 도시한 단면도

도 3은 본 발명에 의한 열교환장치와 종래의 열교환장치의 성능을 비교하여 도시한 도표

도 4는 본 발명에 의한 제3실시례의 구조를 도시한 단면도

도 5는 본 발명에 의한 제4실시례의 구조를 도시한 단면도

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1 : 다공성 금속물질 2 : 열팽창 피난부

10 : 축열부 11 : 축열조

12 : 고정부 20 : 열전달부

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 축열물질이 내재된 축열부와, 상기 축열부와 그 축열부에 접촉하며 유동하는 열전달매체 사이에서 열교환이 이루어지도록 형성된 공간인 열전달부를 포함하여 구성된 열교환장치에 있어서, 상기 축열부의 내부에는 상기 축열물질을 내포할 수 있는 다공성 금속물질이 채워진 것을 특징으로 하는 열교환장치를 제시한다.

또한, 상기 열전달부는 관 구조로 형성되고, 상기 축열부는 상기 관을 둘러싸는 구조로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열전달부는 대향되는 2개의 판의 내측에 형성된 공간이고, 상기 축열부는 상기 판의 외측에 형성되는 것도 가능하다.

또한, 상기 축열부는 내부에 상기 다공성 금속물질의 수용공간이 형성되고, 외부가 상기 열전달부와 접촉하는 축열조를 추가적으로 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 축열부는 상기 축열물질의 열팽창에 의한 팽압으로부터 그 축열부를 보호하도록, 그 축열부의 내부에 형성된 공간인 열팽창 피난부를; 추가적으로 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 다공성 금속물질은 판 형상으로 형성되어, 복수개가 상기 열전달부의 외측으로서 열전달매체의 진행방향에 직각방향으로 고정되고, 상기 열팽창 피난부는 상기 복수개의 다공성 금속물질의 판 사이에 형성된 공간인 것이 바람직하다.

또한, 상기 다공성 금속물질의 판은 상기 열전달부측 고정부로부터 그 반대측으로 향할수록 두께가 점점 두꺼워지는 구조를 취하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 다공성 금속물질은 다공도가 85% 이상인 것이 바람직하다.

나아가, 상기 다공성 금속물질은 알루미늄인 것이 효과적이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시례에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 제1실시례의 구조를 도시한 단면도, 도 2는 본 발명에 의한 제2실시례의 구조를 도시한 단면도, 도 3은 본 발명에 의한 열교환장치와 종래의 열교환장치의 성능을 비교하여 도시한 도표, 도 4는 본 발명에 의한 제3실시례의 구조를 도시한 단면도, 도 5는 본 발명에 의한 제4실시례의 구조를 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 열교환장치는 축열물질이 내재된 축열부 (10)와, 축열부(10)와 그 축열부(10)에 접촉하며 유동하는 열전달매체 사이에서 열교환이 이루어지도록 형성된 공간인 열전달부(20)를 포함하여 구성되고, 축열부 (10)의 내부에는 상기 축열물질을 내포할 수 있는 다공성 금속물질(1)이 채워진 구조를 취한다.

여기서, 열전달부(20)가 관 구조로 형성되는 경우, 축열부(10)는 그 관을 둘러싸는 구조로 형성되고, 열전달부(20)가 대향되는 2개의 판의 내측에 형성된 공간에 의해 형성되는 경우, 축열부(10)는 그 판의 외측에 형성되는 구조를 취하게 된다.

다공성 금속물질(1)은 그 내부에 서로 연결된 빈 공간을 가지고 있어, 축열물질이 다공성 금속물질(1)의 빈 공간에 채워지게 된다. 일반적으로 다공성 금속물질의 열전도율이 축열물질의 열전도율보다 수십배 이상 크므로, 열전달면과 상경계면 사이의 열전달이 열전도율이 낮은 축열물질을 통해서가 아니라, 열전도율이 큰 다공성 금속물질을 통하여 이루어지게 되며, 그 결과 응고 및 해빙속도가 기존의 축열방식에 비하여 크게 향상하게 된다.

도 2는 본 발명에 의한 제2실시례의 구조를 도시한 단면도로서, 종래의 밀폐용기형 열교환장치에 본 발명의 기술적 사상을 도입한 것인바, 축열부(10)는 내부에 다공성 금속물질(1)의 수용공간이 형성되고, 외부가 열전달부(20)와 접촉하는 축열조(11)를 추가적으로 구비하고 있다.

도 3은 다공도 92%의 다공성 알루미늄을 삽입한 경우의 열교환장치의 해빙두께 및 방냉률을 도시한 도표이다. 점선으로 나타낸 것은 종래의 열교환장치의 성능을 나타낸 것이고, 실선으로 나타낸 것은 본 발명에 의한 열교환장치의 성능을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 열교환장치의 방열 성능이 종래의 그것에 비해 크게 향상되어 있음을 알 수 있다.

여기서 다공도의 선택 또한 중요한 요소가 되는데, 다공도가 지나치게 높은 경우에는 열전달률이 낮아 종래의 열교환장치의 경우와 방열률 또는 축열시간에 있어서 큰 차이가 없게 되며, 반대로 다공도가 너무 낮을 경우에는 축열물질의 양의 감소로 축열량이 작아져 열교환장치의 크기가 증가하게 된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 다공성 금속물질의 다공도는 대략 90%정도인 것이 바람직하다.

이러한 다공성 금속물질을 적용한 열교환장치는 다공성 물질의 높은 열전도율로 인하여 열전달면과 상변화 경계면 사이의 열저항이 크게 감소하므로, 열교환장치의 열전달부인 복수개의 관 사이의 간격을 넓게 배치하거나 축열조인 밀폐용기의 폭을 크게 하더라도 기존의 방식보다 축열 및 방열 효율을 높게 유지할 수 있어, 축열조의 단위 부피당 축열률을 크게 할 수 있다는 장점을 갖는다.

또한, 기존의 열교환장치에서는 방열이 진행됨에 따라 방열률이 크게 감소하여, 잔여 축열량이 충분하다 하더라도 순간적인 큰 열부하에 해당하는 방열량을 공급하지 못하는 경우도 발생하므로, 축열조를 과다하게 크게 설계하거나, 냉동기가 변동부하를 공급하고, 축열조는 고정부하를 담당하는 냉동기 축열조 동시운전방법을 선택하여야 한다는 문제점이 있었다.

그러나, 본 발명에 의한 열교환장치의 경우에는, 축열물질의 응고 및 융해속도가 높아서 열부하가 시간에 따라 크게 변동하는 경우에도 융해속도를 조절하여 열부하에 해당하는 방열량을 공급할 수 있으므로, 열교환장치의 설계나 운전방식의 결정에 있어서, 축열조의 방열률에 의한 제한 요인을 고려하지 않아도 되는 장점이 있다.

한편, 물과 같이 상변화시에 부피가 크게 변화하는 물질을 축열물질로 이용하는 경우에는 다공성 금속물질의 구조를 축열물질의 부피변화를 흡수할 수 있는 형태로 구성할 필요가 있다.

따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 열교환장치에 있어서 축열부(10)는 상기 축열물질의 열팽창에 의한 팽압으로부터 그 축열부(10)를 보호하도록, 그 축열부(10)의 내부에 형성된 공간인 열팽창 피난부(2)를; 추가적으로 구비한다.

여기서, 다공성 금속물질(1)은 판 형상으로 형성되어, 복수개가 열전달부 (20)의 외측으로서 열전달매체의 진행방향에 직각방향으로 고정되고, 열팽창 피난부(2)는 복수개의 다공성 금속물질(1)의 판 사이의 공간에 해당한다.

다공성 금속물질에서 축열물질의 응고로 부피팽창이 일어나면, 축열물질이 열팽창 피난부(2)인 다공성 금속물질 사이의 홈으로 밀려나오게 되므로, 부피팽창에 의한 다공성 물질의 변형은 거의 없게 되어, 축열부(10)를 보호할 수 있다.

또한, 축열부(10)에 있어서 부피팽창이 가장 심하게 발생하는 부분은 열전달부(20)와 인접한 구역이므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 다공성 금속물질(1)의 판이 열전달부(20)측 고정부(12)로부터 그 반대측으로 향할수록 두께가 점점 두꺼워지는 구조를 취하는 것도 바람직하다.

본 발명은 축열물질의 응고 또는 융해 속도를 높이고, 축열 및 방열 효율을 높일 수 있는 열교환장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 열교환장치의 설계나 운전방식의 결정에 있어서, 축열조의 방열률에 의한 제한 요인을 고려하지 않아도 되는 장점이 있다.

Claims (9)

1. 축열물질이 내재된 축열부와, 상기 축열부와 그 축열부에 접촉하며 유동하는 열전달매체 사이에서 열교환이 이루어지도록 형성된 공간인 열전달부를 포함하여 구성된 열교환장치에 있어서,

   상기 축열부의 내부에는 상기 축열물질을 내포할 수 있는 다공성 금속물질이 채워진 것을 특징으로 하는 열교환장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 열전달부는 관 구조로 형성되고, 상기 축열부는 상기 관을 둘러싸는 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 열전달부는 대향되는 2개의 판의 내측에 형성된 공간이고, 상기 축열부는 상기 판의 외측에 형성된 것을 특징으로 하는 열교환장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 축열부는

   내부에 상기 다공성 금속물질의 수용공간이 형성되고, 외부가 상기 열전달부와 접촉하는 축열조를 추가적으로 구비한 것을 특징으로 하는 열교환장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 축열부는

   상기 축열물질의 열팽창에 의한 팽압으로부터 그 축열부를 보호하도록, 그 축열부의 내부에 형성된 공간인 열팽창 피난부를; 추가적으로 구비한 것을 특징으로 하는 열교환장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 다공성 금속물질은 판 형상으로 형성되어, 복수개가 상기 열전달부의 외측으로서 열전달매체의 진행방향에 직각방향으로 고정되고, 상기 열팽창 피난부는 상기 복수개의 다공성 금속물질의 판 사이에 형성된 공간인 것을 특징으로 하는 열교환장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 다공성 금속물질의 판은 상기 열전달부측 고정부로부터 그 반대측으로 향할수록 두께가 점점 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 열교환장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 다공성 금속물질은 다공도가 85% 이상인 것을 특징으로 하는 열교환장치.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 다공성 금속물질은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 열교환장치.