KR20040000768A - 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉난방장치에 관한 것으로써, 통상적인 냉매를 사용하지 않고 수소와 수소 저장합금간의 상관 관계를 이용하여 실외기가 필요없는 콤팩트한 냉난방장치를 제공하고자 한 것이다.

이를 위해 본 발명은 공기흡입유로와 실내측 배기유로 및 실외측 배기유로를 구비한 하우징과; 상기 하우징 내의 공기흡입유로 쪽에 대향되게 설치된 한 쌍의 반응기와; 상기 반응기 사이에 설치된 댐퍼와; 실내측 송풍수단 및 실외측 송풍수단과; 상기 각 반응기와 연결되고 수소가 유동하는 수소 유로관과; 어느 한 반응기에서 다른 한 반응기로 수소를 강제 압송하도록 압송력을 발생시키는 펌핑유니트 및; 수소의 압송 방향을 제어하는 방향제어밸브를 포함하여 구성된 냉난방장치에 서, 상기 수소가 충전되어 열교환하는 반응기의 형태를 댐퍼의 절환판의 회전 궤적과 동일한 곡률을 갖는 만곡된 원호형상으로 형성하고, 상기 펌핑유니트를 상기 절환판의 회전 사각지대에 배치한 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치가 제공된다.

Description

수소 저장합금을 이용한 냉난방장치{Cooling and Heating Device Using Hydrogen Storage Alloys}

본 발명은 냉난방장치에 관한 것으로써, 특히 수소와 수소 저장합금간의 반응에 따른 흡열 혹은, 발열의 상관 관계를 이용하여 주변 공기를 냉각 혹은, 가열시킴으로써 냉기 혹은, 온기를 생성하여 실외기가 필요없으며, 반응기의 형태를 다른 구성요소와 적절한 관계를 갖도록 함으로써 콤팩트한 크기를 갖는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치에 관한 것이다.

일반적으로 수소 저장합금(Hydrogen Storage Alloy)은 수소가 흡착될 경우 발열반응을 일으키고, 수소가 방출될 경우 흡열반응을 일으키는 특성을 지님과 더불어 수소를 저장할 수 있는 용량이 크다는 특성을 이용하여 히트 펌프(heat pump)나 수소 저장기기(hydrogen storage devices) 등의 응용분야에 사용이 가능한 것으로 알려졌다.

그러나, 종래에는 전술한 수소 저장합금을 이용하여 냉난방장치를 구현할 수 있다는 것은 단순히 개념적으로만 제시되었을 뿐 상기한 수소 저장합금의 특성을 고려하여 구체적인 시스템의 구현은 이루어진 바가 없다.

특히, 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 구현하기 위해서는 상기 냉난방장치의 효율이 기존 냉매를 사용하는 냉난방장치의 효율과 적어도 같아야 함에도 불구하고, 그에 따른 각종 구성 요소의 상관 관계나 배치에 대한 연구가 전혀 이루어지지 않았기에 실용화되지는 못하고 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 통상의 냉난방 기능을 수행하는 냉난방장치에 수소 저장합금을 이용한 기술을 적용하여 전체적인 시스템의 단순화가 이루어질 수 있도록 한 냉난방장치를 제공하도록 한 것이며, 특히, 본 발명은 수소의 방출 및 흡입에 따른 흡,발열 반응을 하며 열교환기로서 작용하는 반응기의 구조를 주변 구성요소와 적절한 관계를 갖도록 구성함으로써 공간 활용도를 최대화하여 콤팩트한 크기의 냉난방장치의 구현이 가능하도록 한 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 냉난방장치를 개략적으로 나타낸 요부 횡단면도

도 2 는 도 1의 냉난방장치의 댐퍼가 절환된 상태를 나타낸 요부 횡단면도

도 3 은 도 1의 냉난방장치의 반응기 형태를 개략적으로 나타낸 사시도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 하우징 11, 12 : 공기 흡입덕트

13 : 실내측 배기덕트 14 : 실외측 배기덕트

20, 25 : 제 1,2반응기 30 : 실내측 송풍팬

35 : 실외측 송풍팬 40 : 댐퍼

41 : 모터 42 : 회전축

43 : 절환판 50 : 수소 유로관

60 : 펌핑유니트 70 : 방향제어밸브

상기한 목적 달성을 위한 본 발명의 형태에 따르면 외부로부터 공기를 흡입하는 공기흡입유로와, 열교환된 공기를 실내로 안내하는 실내측 배기유로 및, 열교환된 공기를 실외로 안내하는 실외측 배기유로를 구비한 하우징과; 상기 하우징 내의 공기흡입유로 쪽에 대향되게 설치되며, 내부에 수소 저장합금이 충전되고, 전체적으로 만곡된 원호형상의 외형을 갖는 한 쌍의 반응기와; 상기 반응기 사이에 설치되어 각 반응기를 통과한 공기를 각각 실내측 배기유로와 실외측 배기유로 쪽으로 분리하여 유도하는 댐퍼와; 상기 공기흡입유로를 통해 외부의 공기를 강제 흡입시켜 각 반응기를 통해 실내측 배기유로 및 실외측 배기유로 쪽으로 강제 송풍시키기 위한 실내측 송풍수단 및 실외측 송풍수단과; 상기 각 반응기와 연결되고, 수소가 유동하는 수소 유로관과; 상기 수소 유로관에 연결되어 어느 한 반응기에서 다른 한 반응기로 수소를 강제 압송하도록 압송력을 발생시키는 펌핑유니트 및; 상기 수소 유로관에 설치되어 수소의 압송 방향을 제어하는 방향제어밸브를 포함하여 구성된 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치가 제공된다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1과 도 2에 도시된 것과 같이, 냉난방장치의 외형을 이루는 하우징(10)에는 외부로부터 공기가 흡입되는 통로를 형성하는 공기흡입덕트(11, 12)가 양측면부에 형성되고, 이 공기흡입덕트(11, 12)를 통해 유입되어 열교환된 공기를 각각 실내측과 실외측으로 안내하여 배출하는 실내측 배기덕트(13) 및 실외측 배기덕트(14)가 상호 대향되게 형성된다.

상기 하우징(10) 내부의 공기흡입덕트(11,12) 쪽에는 이 공기흡입덕트(11, 12)를 통해 유입된 공기를 열교환시키는 제 1반응기(20) 및 제 2반응기(25)가 대향되게 설치되고, 상기 제 1반응기(20)와 제 2반응기(25) 사이에는 제 1,2반응기(20, 25)를 각각 통과한 공기를 상기 실내측 배기덕트(13)와 실외측 배기덕트(14)로 분리되게 유도하는 댐퍼(40)가 회전가능하게 설치되며, 상기 댐퍼(40)를 중심으로 실내측 배기덕트(13)와 실외측 배기덕트(14) 쪽에는 실내측 송풍팬(30) 및 이를 구동시키는 팬모터(31)와, 실외측 송풍팬(35) 및 이를 구동시키는 팬모터(36)가 각각 설치되어 구성되는데, 상기 실내측 송풍팬(30)과 실외측 송풍팬(35)들은 상기 공기흡입덕트(11, 12)를 통해 외부의 공기를 강제 흡입하여 제 1,2반응기(20, 25)를 통하여 실내측 배기덕트(13)와 실외측 배기덕트(14)로 강제 송풍시키는 역할을 하게 된다.

그리고, 상기 제 1,2반응기(20, 25)에는 수소가 유동하는 수소 유로관(50)들이 연결되고, 각 반응기(20, 25)들은 상기 수소 유로관들과 연결되는 방향제어밸브(70)를 매개로 수소를 압송시키는 압송력을 발생하는 펌핑유니트(60)와 연결되도록 구성되며, 상기 방향제어밸브(70)는 전기적으로 작동하며 유로를 전환하도록 구성되어, 상기 수소 유로관(50) 내를 유동하는 수소를 어느 한 반응기(20, 25)로부터 다른 반응기(25, 20)로 선택적으로 압송시키는 역할을 하게 된다.

따라서, 상기 펌핑유니트(80)에서 압송력을 발생시키면 각 반응기(20, 25) 내의 수소는 방향제어밸브(70)의 제어에 의해 상기 수소유로관(50)을 따라 어느 한 방향으로 유동하게 된다.

상기 펌핑유니트(60)는 통상의 펌프나 압축기 등을 이용하여 구성할 수 있으나 이에 한정하지는 않는다.

한편, 상기 댐퍼(40)는 하우징(10)의 상부 또는 하부에 설치되는 모터(41)와 축결합되어 이 모터(41)의 구동에 따라 회전축(42)을 중심으로 좌우로 왕복 회전하는 절환판(43)으로 구성되어, 제 1반응기(20)와 제 2반응기(25) 사이의 공간을 분리되게 구획함으로써 제 1,2반응기(20, 25)를 통해 흡입되어 열교환된 공기가 서로 섞이지 않고 실내측 배기덕트(13) 및 실외측 배기덕트(14)로 분리되어 배출되도록 하는 역할을 한다.

따라서, 상기 댐퍼(40)의 절환판(43)의 전체 높이는 각 반응기(20, 25) 상호간의 공간이 서로 연통되지 않을 정도의 높이를 가지며, 바람직하게는 하우징(10)의 내부 높이와 거의 동일하게 형성하여 열교환된 공기간의 섞임이 방지될 수 있도록 한다.

만일, 상기 하우징(10) 내에 상기 각 반응기(20, 25)가 구비되는 공간과, 상기 댐퍼(40)가 설치되는 공간 및 냉난방장치의 각종 구성요소들이 서로 구획되도록 별도의 프레임이 구축될 경우에는 상기 절환판(43)의 높이는 상기 프레임 내부 높이와 대략 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 제 1,2반응기(20, 25)는 수소 저장합금이 충전되어 이루어진 용기(21)와, 상기 용기에 접촉되어 외기와의 열교환 면적을 확장시키도록 한 열교환핀(22)으로 이루어져, 수소의 유입이 이루어질 경우 발열 반응을 하여 주변 공기를 가열하고, 수소의 방출이 이루어질 경우 흡열 반응을 하여 주변 공기를 냉각하는 역할을 수행하는 열교환기로서 작용한다.

또한, 상기 제 1,2반응기(20, 25)는 전체적으로 상기 댐퍼(40)의 절환판(43)의 회전 궤적이 이루는 곡률과 동일한 곡률을 갖는 원호 형상을 이루고 있으며, 상기 댐퍼(40)의 절환판(43)은 양단이 각각의 반응기(20, 25)의 면과 대응하는 영역으로 회전하도록 구성되어 있다.

그리고, 상기와 같이 절환판(43)이 반응기(20, 25) 쪽으로 회전할 수 있도록 구성됨에 따라 댐퍼(40)가 설치된 공간중 실내측 공기배출덕트(13)와 실외측 공기배출덕트(14) 쪽으로 향하는 부분에 절환판(43)이 회전하지 않는 사각지대가 발생하게 되는 바, 이 절환판(43)의 회전이 이루어지지지 않는 사각지대에 상기 펌핑유니트(60)를 설치하여 공간 활용도를 극대화할 수 있도록 되어 있다.

상기와 같이 구성된 냉난방장치는 다음과 같이 작동한다.

냉난방장치의 냉방작동시, 도 1에 도시된 것과 같이, 냉난방장치의 콘트롤러(미도시)의 제어에 의해 펌핑유니트(60)의 구동이 이루어지면 수소유로관(50)의 내부는 상기 펌핑유니트(60)의 작동에 따라 수소를 압송하는 압송력이 발생하게 되고, 이에 따라 어느 한 반응기로부터 다른 한 반응기, 예컨대 제 1반응기(20)로부터 제 2반응기(25)로 수소가 이동하게 된다.

수소가 방출되는 제 1반응기(20)는 흡열반응을 하게 되어 주위의 공기를 냉각시키게 되고, 반대로 수소가 유입되는 제 2반응기(25)는 발열반응을 하게 되어 주위의 공기를 가열시키게 된다.

이와 동시에 실내측 송풍팬(30)과 실외측 송풍팬(35)이 작동하여 공기 흡입덕트(11, 12)를 통해 외기가 유입되며 각 반응기(20, 25)와 열교환을 일으키게 되는데, 제 1반응기(20) 쪽으로 흡입된 외기는 냉각된 후 댐퍼(40)의 절환판(43)의 안내를 받아 실내측 배기덕트(13) 쪽으로 송풍되어 실내에 차가운 공기를 배출하고, 제 2반응기(25) 쪽으로 흡입된 외기는 가열된 후 댐퍼(40)의 절환판(43)의 안내를 받아 실외측 배기덕트(14) 쪽으로 송풍되어 실외로 배출된다.

제 1반응기(20)의 수소가 모두 방출되면 제 1반응기(20)는 더 이상 열교환을 수행할 수 없는 상태가 되는 바, 제 1반응기(20)의 수소가 모두 제 2반응기(25) 쪽으로 이동하게 되면, 도 2에 도시된 것과 같이 댐퍼(40)의 모터(41)의 작동에 의해 절환판(43)이 회전축(42)을 중심으로 회전하여 절환된다. 이와 동시에 방향제어밸브(70)가 절환되면서 수소 압송 방향이 반대로 되어 제 2반응기(25)로부터 제 1반응기(20)로 수소가 이동하게 된다.

이에 따라 전술한 것과는 반대로 제 2반응기(25)가 흡열반응을 하게 되고, 제 1반응기(20)는 발열반응을 하게 된다.

그리고, 상기 제 2반응기(25)를 통해 흡입되는 공기는 냉각된 후 절환된 댐퍼(40)의 절환판(43)의 안내를 받아 실내측 배기덕트(13)로 배출되고, 제 1반응기(20)를 통해 흡입되는 공기는 가열된 후 댐퍼(40)의 절환판(43)의 안내를 받아 실외측 배기덕트(14)를 통해 외부로 배출된다.

상기 냉난방장치는 실내가 원하는 냉방온도로 될 때까지 상기와 같은 과정을 연속적으로 반복 수행하게 된다.

본 발명의 냉난방장치로 난방작동을 수행하고자 할 경우에는 발열반응을 하는 반응기를 통과한 공기가 실내측 배기덕트(13)로 안내되도록 하고, 흡열반응을 하는 반응기를 통과한 공기는 실외측 배기덕트(14)로 안내되도록 상기 댐퍼(40)의 절환판(43)을 절환하면 되는 바, 냉난방장치의 난방작동에 대해서는 전술한 냉방작동에 의해 충분히 이해될 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 냉난방장치는 수소 저장합금의 기술이 적용된 냉난방장치의 각 반응기가 대형화되더라도 전체적인 시스템의 크기는 상기 반응기의 크기에 비례하여 대형화하지 않아도 된 효과가 있다.

특히, 본 발명은 열교환을 일으키는 반응기를 댐퍼의 절환판과 동일한 곡률로 구성하고, 절환판의 회전 사각지대에 펌핑유니트를 설치할 수 있게 됨으로써 냉난방장치의 크기를 콤팩트하게 구현할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 외부로부터 공기를 흡입하는 공기흡입유로와, 열교환된 공기를 실내로 안내하는 실내측 배기유로 및, 열교환된 공기를 실외로 안내하는 실외측 배기유로를 구비한 하우징과;

   상기 하우징 내의 공기흡입유로 쪽에 대향되게 설치되며, 내부에 수소 저장합금이 충전되고, 전체적으로 만곡된 원호형상의 외형을 갖는 한 쌍의 반응기와;

   상기 반응기 사이에 설치되어 각 반응기를 통과한 공기를 각각 실내측 배기유로와 실외측 배기유로 쪽으로 분리하여 유도하는 댐퍼와;

   상기 공기흡입유로를 통해 외부의 공기를 강제 흡입시켜 각 반응기를 통해 실내측 배기유로 및 실외측 배기유로 쪽으로 강제 송풍시키기 위한 실내측 송풍수단 및 실외측 송풍수단과;

   상기 각 반응기와 연결되고, 수소가 유동하는 수소 유로관과;

   상기 수소 유로관에 연결되어 어느 한 반응기에서 다른 한 반응기로 수소를 강제 압송하도록 압송력을 발생시키는 펌핑유니트 및;

   상기 수소 유로관에 설치되어 수소의 압송 방향을 제어하는 방향제어밸브를 포함하여 구성된 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 댐퍼는 하우징의 상부 또는 하부에 설치된 모터와, 중심의 회전축이 상기 모터에 축결합되어 양끝단부가 반응기의 면과 대응하는 영역에서 왕복 회전하도록 된 플레이트 형태의 절환판으로 구성된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
3. 제 2항에 있어서, 각 반응기는 상기 댐퍼의 절환판의 회전 궤적에 따른 곡률 과 동일한 곡률로 형성된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 펌핑유니트는 상기 댐퍼의 절환판의 회전 사각지대에 배치된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.