KR20030062904A - 수소저장합금을 이용한 냉난방기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소저장합금을 이용한 냉난방기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응기가 회동됨에 따라 반응기를 통과한 공기가 실내 및 실외로 토출되도록 하여 실내를 냉난방시키도록 한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 본체(1) 내부에 설치되고, 대략 원통형으로 형성되되고 내측 공간부가 구획되며, 그 내부에 수소저장합금이 충전되어 수소의 흡장 또는 방출시 발열 또는 흡열반응을 일으키는 반응기(10)와; 상기 반응기를 소정 각도 회동시키도록 설치되는 회동수단(14)과; 상기 반응기의 구획된 부분을 기준으로 반응기(10)의 일측부와 타측부에 그 끝단부가 각각 연결되는 수소 유로관(21)과; 상기 수소 유로관에 연결되어 수소를 유동시키도록 하는 펌핑수단(22)과; 내부에 반응기(10)가 설치되며, 공기가 유입되어 반응기(10)의 일측부 및 타측부를 거쳐 실내 및 실외로 각각 토출되도록 공기 유로를 안내하는 유로안내 덕트부와; 상기 유로안내 덕트부에 설치되어 열교환된 공기를 실내 및 실외로 토출시키는 송풍수단(31a.32a):을 포함하여 이루어진 수소저장합금을 이용한 냉난방기를 제공한다.

Description

수소저장합금을 이용한 냉난방기{heat pump using hydrogen storage alloy}

본 발명은 수소저장합금을 이용한 냉난방기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응기를 회동시킴에 따라 실내 공간을 냉방 또는 난방시킬 수 있도록 한 냉난방기에 관한 것이다.

일반적으로 수소는 고압 및 극저온 상태에서 저장되며, 이렇게 저장되더라도 수소 고유의 낮은 밀도 때문에 고압 용기에 저장할 수 있는 수소의 양이 제한된다.

또한, 상기 수소는 고온 고압에서 저장되기 때문에 수소 저장용기는 부피가 크고 하중이 크게 제작되어 운반 및 사용에 많은 어려움이 있다.

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 저압상태로 저장시킬 수 있다.

또한, 상기 수소저장합금에 수소가 흡장될 때에는 발열반응이 일어나고, 상기 수소저장합금으로부터 수소가 방출될 때에는 흡열반응이 일어난다.

한편, 상술한 수소저장합금의 특성을 이용한 반응장치는 일측 반응기에서 타측 반응기로 혹은 그 반대로 수소를 번갈아 유동시킴에 따라 발생되는 반응열을 이용하는 장치이다.

상기 수소저장합금을 이용한 반응장치는 냉난방기 및 냉온장고와 같은 제품에 적용될 수 있다.

상기 반응장치가 냉난방기에 적용되는 경우, 일측 반응기에서 타측반응기로 혹은 그 반대로 수소를 번갈아 유동시킬 때마다 각 반응기는 발열반응과 흡열반응을 번갈아 수행하도록 하기 때문에, 상기 반응장치가 냉방모드로 운전될 때에는 흡열반응하는 반응기와 열교환된 냉기를 실내 공간으로 토출되도록 하는 한편, 상기 반응장치가 난방모드로 운전될 때에는 발열반응하는 반응기와 열교환된 온기를 실내 공간으로 토출되도록 함으로써, 상기 반응장치가 냉방 및 난방모드를 수행하도록 한다.

본 발명은 냉난방기에 설치되는 반응기를 회동시킴에 따라 실내 공간으로 냉기 또는 온기만을 토출시키도록 하여 수소저장합금을 이용한 냉난방기를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명 수소저장합금이 이용된 냉난방기를 나타낸 사시도.

도 2는 도 1에 설치되는 반응기 중에서 일측부만 나타낸 사시도.

도 3은 도 1의 냉난방기 작동시 공기의 유동방향을 나타낸 동작상태도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 본체 10 : 반응기

10a : 반응관 10b : 열전도핀

11 : 제1반응부 12 : 제2반응부

13 : 차단판 14 : 회동수단

21 : 수소 유로관 21a : 분배관

22 : 펌핑수단 23 : 4방밸브

31 : 실내공기 흡입덕트 32 : 실외공기 흡입덕트

33 : 실내측 토출덕트 34 : 실외측 토출덕트

31a,32a : 송풍수단 35 : 유로차단부재

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 본체 내부에 설치되고, 대략 원통형으로 형성되어 내측 공간부가 구획되며, 수소의 흡장 또는 방출에 의해 흡열반응과 발열반응을 일으키도록 수소저장합금이 충전되는 반응기와; 상기 반응기를 소정 각도 회동시키도록 설치되는 회동수단과; 상기 반응기의 구획된 부분을 기준으로 반응기의 일측부와 타측부에 그 끝단부가 각각 연결되는 수소 유로관과; 상기 수소 유로관에 연결되어 수소 유로관을 통해 반응기의 일측부에서 타측부로 혹은 그 반대로 수소를 유동시키도록 하는 펌핑수단과; 내부에 반응기가 설치되며, 공기가 유입되어 반응기의 일측부 및 타측부를 거쳐 실내 및 실외로 각각 토출되도록 공기유로를 안내하는 유로안내 덕트부와; 상기 유로안내 덕트부에 설치되어 반응기와 열교환된 공기를 실내 및 실외로 강제 토출시키는 송풍수단:을 포함하여 이루어진 수소저장합금을 이용한 냉난방기를 제공한다.

이하, 본 발명 수소저장합금을 이용한 냉난방기에 관해 참조도면 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 수소저장합금이 이용된 냉난방기를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1에 설치되는 반응기 중에서 일측부만 나타낸 사시도이다.

도 1을 참조하면, 상기 냉난방기는 반응기(10), 회동수단(14), 수소 유로관(21), 펌핑수단(22), 유로안내 덕트부 및 송풍수단(31a.32a)을 포함하여 이루어진다.

상기 반응기(10)는 본체(1) 내부에 설치되며, 대략 원형으로 형성되어 내측 공간부가 구획되어 있으며, 그 내부에는 수소가 흡장될 때에는 발열반응을 일으키고 수소가 방출될 때에는 흡열반응을 일으키는 수소저장합금이 충전된다. 이러한 반응기 구조에 관해서는 아래에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

상기 반응기(10)에는 회동수단(14)이 설치되어 반응기(10)를 소정 각도 회동시킨다. 이때, 상기 회동수단(14)으로는 반응기를 정방향 또는 역방향으로 번갈아 회동시키는 정역회동용 모터를 제시한다.

상기 수소 유로관(21)은 반응기(10)의 구획된 부분을 기준으로 반응기(10)의 일측부와 타측부에 그 끝단부가 각각 연결되도록 설치되며, 상기 수소 유로관(21)에는 펌핑수단(22)이 설치된다. 상기 펌핑수단(22)은 수소 유로관(21)을 통해 반응기(10)의 일측부에서 타측부로 혹은 그 반대로 수소를 유동시키도록 한다.

이러한 펌핑수단(22)으로는 압축기를 제시하는데, 상기 압축기는 일방향으로만 수소를 흡입하여 토출시키기 때문에 상기 수소 유로관(21)에 4방밸브(23)(4way valve)(23)를 설치하여 수소의 유동방향을 조절할 수 있도록 한다.

한편, 상기 반응기(10)는 도 1과 같이 길이방향에 수직한 단면이 반원호 형상을 갖는 제1반응부(11)와 제2반응부(12)로 이루어진다.

도 2를 참조하면, 상기 제1,2반응부(11,12)는 수소저장합금이 내부에 충전되는 다수개의 반응관(10a)과, 상기 반응관(10a)의 외측에 설치되어 접촉 공기에 열을 전달하도록 반응관(10a)의 길이방향을 따라 적층되게 설치되는 열전도핀(10b)으로 이루어진다. 이때, 상기 각 반응부(11,12)에는 분배관(21a)이 연결되며, 상기 분배관(21a)에는 수소 유로관(21)의 양단부가 연결된다.

그리고, 상기 제1반응부(11)와 제2반응부(12) 사이에는 이들에 의해 형성된 내측 공간부를 직경방향으로 구획하도록 판상의 차단판(13)이 설치된다. 이때, 상기 차단판(13)은 각 반응부(11,12)의 반응열이 서로에게 전달되지 않도록 하기 위해 단열재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

이때, 상기 회동수단(14)의 구동축은 차단판(13)에 설치되는데, 상기 구동축은 차단판(13)의 중심축과 평행하도록 설치된다.

한편, 상기 유로안내 덕트부는 반응기(10)가 설치된 본체(1)에 연결되어 실내공기를 흡입하도록 하는 실내공기 흡입덕트(31)와; 상기 본체(1)에 연결되어 실외공기를 흡입하도록 하는 실외공기 흡입덕트(32)와; 상기 실내공기 흡입덕트(31)로 흡입된 공기가 반응기(10)와 열교환된 다음에 실내로 토출되도록 하는 실내측 토출덕트(33)와; 상기 실외공기 흡입덕트(32)로 흡입된 공기가 반응기(10)와 열교환한 다음에 실외로 토출되도록 하는 실외측 토출덕트(34)로 이루어진다.

즉, 도 1에 나타난 바와 같이 본체(1)의 좌측면에는 실내공기 흡입덕트(31)가 설치되고, 본체(1)의 우측면에는 실외공기 흡입덕트(32)가 설치되며, 본체(1) 정면에는 실내측 토출덕트(33)가 설치되고, 본체(1) 후면에는 실외측 토출덕트(34)가 설치된다.

이에 따라, 상기 실내공기 흡입덕트(31)를 통해 흡입된 공기는 제1반응부(11)를 통과하면서 열교환되고, 이렇게 열교환된 공기는 실내측 토출덕트(33)를 통해 실내로 토출된다. 이와 동시에 상기 실외공기 흡입덕트(32)를 통해 흡입된 공기는 제2반응부(12)를 통과하면서 열교환되고, 이렇게 열교환된 공기는 실외측 토출덕트(34)를 통해 실외로 토출된다.

또한, 상기 회동부재(14)(도 3 참조)의 작용에 의해 반응기가 소정 각도 회동되면, 상기 실내공기 흡입덕트(31)를 통해 흡입된 공기는 제2반응부(12) 및 실내측 토출덕트(33)를 통해 실내 공간으로 토출되고, 상기 실외공기 흡입덕트(32)를 통해 흡입된 공기는 제1반응부(11) 및 실외측 토출덕트(34)를 통해 실외로 토출된다.

이러한 공기의 흐름을 원활하게 하기 위해 상기 실내공기 흡입덕트(31) 및 실외공기 흡입덕트(32) 근처에는 송풍수단(31a.32a)(도 3 참조)이 각각 설치된다. 상기 송풍수단(31a.32a)으로는 송풍팬을 제시한다.

또한, 상기 본체(1)의 내측면에는 반응기의 회전중심에 평행하고 반응기(10)의 직경방향 외측면부에 대응되도록 유로차단부재(35)가 설치된다.

이에 따라, 상기 유로차단부재(35)는 도 1과 같이 본체(1)의 내측 상하면상에 설치되어 반응기(10)의 외측면과 본체(1)의 내측면에 의해 형성된 공간부를 구획하는 기능을 한다.

이에 따라, 상기 반응기(10)의 내측 공간부는 차단판(13)에 의해 구획되고 반응기(10)의 외측면과 본체(1)의 내측면 사이의 공간부는 유로차단부재(35)에 의해 구획된다. 또한, 상기 차단판과 각 유로차단부재는 동일한 반응기의 직경방향에 평행하도록 배치된다.

이와 같이 구성된 수소저장합금을 이용한 냉난방기의 작용에 관해 참조도면 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 도 1의 냉난방기 작동시 공기의 유동방향을 나타낸 동작상태도이다.

상기 냉난방기는 냉기를 실내측으로 토출시키는 냉방모드 또는 온기를 실내측으로 토출시키는 난방모드로 운전되는데, 이하에서는 냉방모드를 중심으로 설명하기로 한다.

먼저, 제어부의 제어에 의해 펌핑수단(22)이 가동되고 4방밸브(23)가 적절하게 조절됨에 따라 상기 수소가 제1반응부(11)에서 제2반응부(12) 측으로 유동되도록 수소 유로관(21)에는 압력이 형성된다.

이어, 제1반응부(11)의 수소저장합금에 흡장되었던 수소는 수소저장합금으로부터 방출되어 수소 유로관(21)으로 배출되고, 이러한 수소는 펌핑수단(22)에 의해압축된 다음에 제2반응부(12)에 유입되게 된다.

이에 따라, 상기 제1반응부(11)에서는 흡열반응이 일어나고 제2반응부(12)에서는 발열반응이 일어나게 된다.

이와 함께, 제어부는 각 흡입덕트에 설치된 송풍수단(31a.32a)을 가동시켜 실내 및 실외 공기를 본체(1) 내부로 흡입한다.

이때, 도 1에 나타난 바와 같이 제1반응부(11)와 차단판(13)에 의해 형성된 공간부는 실내측 토출덕트(33)와 연통됨과 아울러 제2반응부(12)와 차단판(13)에 의해 형성된 공간부는 실외측 토출덕트(34)와 연통된다.

이에 따라, 상기 실내공기 흡입덕트(31)를 통해 흡입된 공기는 제1반응부(11)를 거치면서 냉각된 후에 실내측 토출덕트(33)를 통해 실내로 토출되고, 상기 실외공기 흡입덕트(32)를 통해 흡입된 공기는 제2반응부(12)를 거치면서 가열된 다음에 실외측 토출덕트(34)를 통해 실외로 토출된다.

다음으로, 상기 제1반응부(11)로부터 수소의 토출이 완료된 후에 소정의 시간이 지나게 되면, 상기 제1반응부(11)에서는 흡열반응이 더 이상 일어나지 않게 됨에 따라 제1반응부(11)의 온도는 점점 상승하게 된다.

상기 제어부에는 냉방모드로 운전되는 경우에 냉각운전되는 반응부에 대응되도록 냉각온도범위가 미리 설정되며, 난방모드로 운전되는 경우에 난방운전되는 반응부에 대응되는 난방온도범위가 미리 설정된다.

이에 상기 제1반응부(11)로부터 수소의 토출이 완료되고 시간이 지남에 따라 제1반응부(11)의 온도가 냉방온도범위 이하로 낮아지면, 제어부는 펌핑수단(22)을가동함과 아울러 4방밸브(23)를 조절하여 상기 제2반응부(12)에 흡장된 수소를 제1반응부(11)로 압송되도록 한다.

이에 따라, 상기 제2반응부(12)는 흡열반응을 일으키고 제1반응부(11)는 발열반응을 일으키게 된다.

이와 함께, 상기 회동수단(14)을 가동하여 반응기(10)를 소정각도 회동시키는데, 상기 반응기(10)의 내측 공간부가 반경방향으로 구획되어 있기 때문에 상기 반응기(10)를 약 180°만큼 회동시키도록 하여, 상기 구획된 내측 공간부 중에서 일측은 실내측 토출덕트(33)와 연통되고 타측은 실외측 토출덕트(34)와 연통되도록 한다.

이처럼 반응기(10)를 180°만큼 회동시킴으로써, 상기 제2반응부(12)와 차단판(13)에 의해 형성된 공간부는 실내측 토출덕트(33)와 연통됨과 아울러 제1반응부(11)와 차단판(13)에 의해 형성된 공간부는 실외측 토출덕트(34)와 연통되게 된다.

이에 따라, 상기 실내공기 흡입덕트(31)를 통해 흡입된 공기는 제2반응부(12)를 거치면서 냉각되고, 이러한 냉기는 실내측 토출덕트(33)를 통해 실내 공간으로 토출된다. 이와 동시에 실외공기 흡입덕트(32)를 통해 흡입된 공기는 제1반응부(11)를 거치면서 가열되고, 이러한 온기는 실외측 토출덕트(34)를 통해 실외로 토출된다.

이와 같이, 상기 제1반응부(11)에서 제2반응부(12)로 혹은 그 반대방향으로 수소를 유동시킴으로써 제1,2반응부(11,12)가 번갈아 가면서 흡열반응과 발열반응을 수행하게 한다.

이와 함께, 상기 회동수단(14)에 의해 반응기(10)를 회동시킴으로써 상기 제1반응부(11)와 차단판(13) 그리고 제2반응부(12)와 차단판(13)에 의해 형성된 공간이 실내측 및 실외측 토출덕트(33,34)와 번갈아 가면서 연통되도록 한다.

한편, 상기 반응장치의 난방모드는 회동수단(14)을 회동시킴에 따라 발열반응하는 반응부 측이 실내측 토출덕트(33)와 연통되도록 하면 될 뿐 다른 동작은 동일하므로 이하에서는 설명을 생략하기로 한다.

이와 같은 운전을 수행하도록 함에 의해, 상기 반응기(10)의 냉기 또는 온기가 실내측 토출덕트를 통해 실내공간으로 유입되게 함으로써 상기 반응장치를 냉방모드 또는 난방모드로 운전되게 할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 반응기를 소정각도 회동시킴에 따라 반응기가 냉난방모드로 각각 운전되게 할 수 있도록 하였다.

또한, 반응기를 회동시켜 냉난방기능을 수행할 수 있도록 함에 따라 반응장치를 구성하는 덕트의 구조를 단순하게 할 수 있도록 하였다.

Claims (12)

1. 본체 내부에 설치되고, 대략 원통형으로 형성되어 내측 공간부가 구획되며, 수소의 흡장 또는 방출에 의해 흡열반응과 발열반응을 일으키도록 수소저장합금이 충전되는 반응기와;

   상기 반응기를 소정 각도 회동시키도록 설치되는 회동수단과;

   상기 반응기의 구획된 부분을 기준으로 반응기의 일측부와 타측부에 그 끝단부가 각각 연결되는 수소 유로관과;

   상기 수소 유로관에 연결되어 수소 유로관을 통해 반응기의 일측부에서 타측부로 혹은 그 반대로 수소를 유동시키도록 하는 펌핑수단과;

   내부에 반응기가 설치되며, 공기가 유입되어 반응기의 일측부 및 타측부를 거쳐 실내 및 실외로 각각 토출되도록 공기 유로를 안내하는 유로안내 덕트부와;

   상기 유로안내 덕트부에 설치되어 반응기와 열교환된 공기를 실내 및 실외로 강제 토출시키는 송풍수단:을 포함하여 이루어진 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반응기는 길이방향에 수직한 단면이 반원호 형상을 갖는 제1반응부와 제2반응부로 이루어짐을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1,2반응부는:

   수소저장합금이 내부에 충전되는 다수개의 반응관과;

   상기 반응관의 외측에 설치되어 접촉 공기에 열을 전달하도록 반응관의 길이방향을 따라 적층되게 설치되는 열전도핀으로 이루어짐을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1반응부와 제2반응부 사이에는 이들에 의해 형성된 내측 공간부를 직경방향으로 구획하도록 판상의 차단판이 설치됨을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 차단판은 각 반응부의 열이 서로에게 전도되는 것을 방지하도록 단열재질로 이루어짐을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 회동수단은 반응기를 정방향 및 역방향으로 번갈아 회동시키는 정역회동용 모터임을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 펌핑수단은 압축기임을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 수소 유로관에는 제1반응부로부터 토출된 수소가 펌핑수단에서 압축된 다음에 제2반응부로 혹은 그 반대로 유동되도록 수소의 유동방향을 조절하는 4방밸브(23)가 설치됨을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 수소 유로관은 반응기가 정역회전할 수 있도록 플랙시블한 재질로 제작됨을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 유로안내 덕트부는:

    상기 본체에 연결되어 실내공기를 흡입하도록 하는 실내공기 흡입덕트와;

    상기 본체에 연결되어 실외공기를 흡입하도록 하는 실외공기 흡입덕트와;

    상기 실내공기 흡입덕트로 유입된 공기가 반응기와 열교환된 다음에 실내로 토출되도록 하는 실내측 토출덕트와;

    상기 실외공기 흡입덕트로 유입된 공기가 반응기와 열교환된 다음에 실외로 토출되도록 하는 실외측 토출덕트:로 이루어짐을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 송풍수단은 실내공기 흡입덕트 및 실외공기 흡입덕트 근처에 각각 설치됨을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 송풍수단은 숭풍팬임을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉난방기.