KR20040003795A - 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치에 관한 것으로써, 특히 극저온의 환경하에서 난방운전시 고온의 펌핑유니트를 통과하며 가열된 배출공기를 흡입유로로 바이패스하여 순환시킬 수 있게 함으로써 흡열반응을 일으키는 열교환기의 성능을 저하시키지 않고 지속적인 운전을 할 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 한 형태에 따르면, 실외측 공기흡입유로와 실내측 공기흡입유로와실내측 배기유로 및 실외측 배기유로를 구비한 하우징과; 상기 하우징 내부에 설치된 한 쌍의 반응기와; 상기 반응기를 통과한 공기가 서로 섞이지 않고 각각 실내측 배기유로와 실외측 배기유로 쪽으로 분리되어 유동하도록 안내하는 댐퍼와; 실내측 송풍수단 및 실외측 송풍수단과; 상기 각 반응기와 연결되고 수소가 유동하는 수소 유로관과; 상기 하우징 내부에서 실외측 배기유로 측에 설치되어 수소를 강제 압송하도록 압송력을 발생시키는 펌핑유니트와; 상기 수소의 압송 방향을 제어하는 방향제어밸브와; 상기 실외측 배기유로를 통해 배출되는 공기를 실외측 공기흡입유로로 안내하도록 실외측 배기유로와 실외측 공기흡입유로와 연통되게 설치되는 바이패스유로 및; 상기 실외측 배기유로와 바이패스유로 및 실외측 공기흡입유로를 선택적으로 개폐하며, 공기 흡,배출 유로를 전환시키는 유로전환수단을 포함하여 구성된 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, 난방운전시 극저온의 환경에서도 열교환 효율이 저하되지 않고 원활한 난방운전을 수행할 수 있는 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 극저온의 환경하에서 난방운전시에도 열교환 효율을 저하시키지 않으며 난방운전을 수행할 수 있도록 한 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 냉난방장치의 구성을 개략적으로 나타낸 요부 횡단면도

도 2는 본 발명에 따른 냉난방장치의 난방운전 상태를 나타낸 도면

도 3은 본 발명에 따른 냉난방장치의 난방운전중 댐퍼가 절환된 상태를 나타낸 도면

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 하우징 11, 12 : 제 1,2실외측 흡입덕트

13, 14 : 제 1,2실내측 흡입덕트 15 : 실외측 배기덕트

16 : 실외측 배기덕트 20, 25 : 제 1,2반응기

30 : 실내측 송풍팬35 : 실외측 송풍팬

40 : 댐퍼43 : 절환판

50 : 수소 유로관60 : 펌핑유니트

70 : 방향제어밸브 81~84 : 제 1~4유로개폐밸브

91, 92 : 제 1,2바이패스밸브 101~104 : 제 1~4유로전환밸브

상기한 목적 달성을 위한 본 발명에 따르면, 실외로부터 공기를 흡입하는 실외측 공기흡입유로와, 실내로부터 공기를 흡입하는 실내측 공기흡입유로와, 열교환된 공기를 실내로 안내하는 실내측 배기유로 및, 열교환된 공기를 실외로 안내하는 실외측 배기유로를 구비한 하우징과; 상기 하우징 내부에 설치되고, 내부에 수소 저장합금이 충전되어, 상기 실외측 공기흡입유로 및 실내측 공기흡입유로를 통해 유입되는 공기와 열교환을 일으키는 한 쌍의 반응기와; 상기 반응기 사이에 설치되어 각 반응기를 통과한 공기가 서로 섞이지 않고 각각 실내측 배기유로와 실외측 배기유로 쪽으로 분리되어 유동하도록 안내하는 댐퍼와; 상기 실외측 공기흡입유로 및 실내측 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 하우징 내부에서 실외측 배기유로 측에 설치되고, 상기 수소 유로관에 연결되어 어느 한 반응기에서 다른 한 반응기로 수소를 강제 압송하도록 압송력을 발생시키는 펌핑유니트와; 상기 수소 유로관에 설치되어 수소의 압송 방향을 제어하는 방향제어밸브와; 상기 실외측 배기유로를 통해 배출되는 공기를 실외측 공기흡입유로로 안내하도록 실외측 배기유로와 실외측 공기흡입유로와 연통되게 설치되는 바이패스유로 및; 상기 실외측 배기유로와 바이패스유로 및 실외측 공기흡입유로를 선택적으로 개폐하며, 공기 흡,배출 유로를 전환시키는 유로전환수단을 포함하여 구성된 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치가 제공된다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 4에 도시된 것과 같이, 냉난방장치의 외형을 이루는 하우징(10)의 양측에 실외 및 실내로부터 공기가 흡입되는 제 1,2 실외측 흡입덕트(11, 12) 및 제 1,2 실내측 흡입덕트(13, 14)가 각각 연통되게 형성되고, 상기 하우징(10)의 또 다른 양측부에는 하우징(10) 내부에서 열교환된 공기를 각각 실내와 실외로 안내하여 배출하는 실내측 배기덕트(16) 및 실외측 배기덕트(15)가 형성된다.

상기 제 1,2 실내측 흡입덕트(13, 14)와 제 1,2 실외측 흡입덕트(11, 12) 내에는 각 흡입덕트(11~14)의 유로를 선택적으로 개폐할 수 있도록 제 1,2,3,4 유로개폐밸브(81, 82, 83, 84)가 설치되어 있다.

상기 하우징(10) 내에는 상기 제 1,2 실내측 흡입덕트(13, 14)와 제 1,2 실외측 흡입덕트(11, 12)가 연통되는 부분에 각 흡입덕트들을 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(16)와 실외측 배기덕트(15)로 분리되게 유도하는 댐퍼(40)가 설치되며, 상기 댐퍼(40)를 중심으로 실내측 배기덕트(16)와 실외측 배기덕트(15) 쪽에는 실내측 송풍팬(30) 및 이를 구동시키는 팬모터(31)와, 실외측 송풍팬(35) 및 이를 구동시키는 팬모터(36)가 각각 설치되는데, 상기 실내측 송풍팬(30)과 실외측 송풍팬(35)들은 상기 제 1,2 실내측 흡입덕트(13, 14) 및 제 1,2 실외측 흡입덕트(11, 12)를 통해 외부의 공기를 강제 흡입하여 제 1,2반응기(20, 25)를 통하여 실내측 배기덕트(16)와 실외측 배기덕트(15)로 강제 송풍시키는 역할을 하게 된다.

상기 제 1,2반응기(20, 25)는 도면에 도시하지는 않았으나, 수소 저장합금이 충전되어 이루어진 용기와, 상기 용기에 접촉되어 외기와의 열교환 면적을 확장시키도록 한 열교환핀으로 이루어져, 수소의 유입이 이루어질 경우 발열 반응을 하여 주변 공기를 가열하고, 수소의 방출이 이루어질 경우 흡열 반응을 하여 주변 공기를 냉각하는 역할을 수행한다.

그리고, 상기 제 1,2반응기(20, 25)에는 수소가 유동하는 수소 유로관(50)들이 연결되고, 각 반응기(20, 25)들은 상기 수소 유로관(50)들과 연결되는 방향제어밸브(70)를 매개로 수소를 압송시키는 압송력을 발생하는 펌핑유니트(60)와 연결되도록 구성되며, 여기서 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(16) 및 실외측 배기덕트(15)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.

한편, 본 발명의 냉난방장치는 난방운전시 극저온의 외기가 지속적으로 유입되는 것을 방지하기 위하여 상기 실외측 배기덕트(15)를 통해 배기되는 공기를 실외로 배출하지 않고 냉난방장치 내에서 계속 순환 유동시킬 수 있도록 구성되어 있는 바, 상기 실외측 배기덕트(15)에는 양쪽의 제 1,2 실외측 흡입덕트(11, 12)로 연통되는 2개의 제 1,2바이패스덕트(91, 92)가 연결되며, 상기 각 바이패스덕트(91, 92)가 실외측 배기덕트(15) 및 제 1,2 실외측 흡입덕트(11, 12)와 연결되는 부분에는 실외측 배기덕트(15)와 바이패스덕트(91, 92) 및 제 1,2 실외측 흡입덕트(11, 12)의 유로를 선택적으로 개폐함으로써 유로를 전환시키는 제 1,2,3,4유로전환밸브(101, 102, 103, 104)가 각각 설치되어 있다.

상기와 같이 구성된 냉난방장치에 의한 냉방운전 및 난방운전은 다음과 같이 이루어진다.

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

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

이와 동시에 실내측 송풍팬(30)과 실외측 송풍팬(35)이 작동하여 실내 및 실외로부터 외기를 흡입하게 되는데, 이 때 상기 제 1유로개폐밸브(81) 및 제 4유로개폐밸브(84)는 각각 제 1실외측 흡입덕트(11)와 제 2실내측 흡입덕트(14)의 유로를 개방하고, 제 2유로개폐밸브(82)와 제 3유로개폐밸브(83)는 각각 제 1실내측 흡입덕트(13)와 제 2실외측 흡입덕트(12)를 폐쇄한 상태로 작동되어 있으므로, 제 1실외측 흡입덕트(11)와 제 2실내측 흡입덕트(14)를 통해 실외 및 실내의 공기가 유입된다.

상기 제 1실외측 흡입덕트(11)를 통해 유입되는 실외 공기는 제 1반응기(20)를 거치면서 가열된 후 절환판(43)의 안내를 받아 실외측 배기덕트(15)를 통해 배출되고, 제 2실내측 흡입덕트(14)를 통해 유입되는 실내 공기는 제 2반응기(25)를 거치면서 냉각된 후 절환판(43)의 안내를 받아 실내측 배기덕트(16)를 통해 실내로 배출된다.

제 2반응기(20)의 수소가 모두 방출되면 제 2반응기(20)는 더 이상 열교환을 수행할 수 없는 상태가 되는 바, 제 2반응기(20)의 수소가 모두 제 1반응기(25) 쪽으로 이동하게 되면, 도 1에 점선으로 표시된 것과 같이 댐퍼(40)의 절환판(43)이 모터(41)의 작동에 의해 회전축(42)을 중심으로 회전하여 절환된다. 이와 동시에 상기 제 1,2,3,4 유로개폐밸브(81, 82, 83, 84)가 변환되면서 제 2실외측 흡입덕트(12) 및 제 1실내측 흡입덕트(13)가 개방되고, 상기 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 1반응기(25)가 흡열반응을 하게 되고, 제 2반응기(20)는 발열반응을 하게 된다.

따라서, 상기 제 1실내측 흡입덕트(13)로 유입된 실내 공기는 제1반응기(25)를 통과하며 냉각된 후 실내측 배기덕트(16)로 배출되고, 제 2실외측 흡입덕트(12)로 유입된 실외 공기는 제 2반응기(20)를 통과하며 가열된 후 실외측 배기덕트(15)로 배출된다.

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

본 발명의 냉난방장치로 난방운전을 수행하고자 할 경우에는 발열반응을 하는 반응기를 통과한 공기가 실내측 배기덕트(16)로 안내되도록 하고, 흡열반응을 하는 반응기를 통과한 공기는 실외측 배기덕트(15)로 안내되도록 상기 댐퍼(40)의 절환판(43)의 작동을 조정하면 된다.

그런데, 극저온 환경하에서 난방운전을 할 경우, 실외의 차가운 공기가 흡열반응을 일으키는 반응기와 열교환을 해야 하는데, 실외 공기의 온도가 매우 낮으므로 반응기에서의 열교환효율이 매우 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 경우에 고온의 펌핑유니트(60)를 지나가며 온도가 상승된 배출공기를 상기 제 1,2실외측 흡입덕트(11, 12)로 재유입시켜 순환시킴으로써 열교환효율의 저하를 방지하도록 되어 있다.

도 2와 도 3을 참조하여 이를 더욱 구체적으로 설명하면, 난방운전시 도 2에 도시된 것과 같은 상태에서 제 1반응기(20)는 흡열반응을 하고 제 2반응기(25)는 발열반응을 하도록 되어 있는데, 운전중 상기 제 1바이패스덕트(91) 쪽에 설치되어 있는 제 1유로전환밸브(101)와 제 2유로전환밸브(102)를 작동시키면, 제 1유로전환밸브(101)는 실외측 배기덕트(15) 유로를 폐쇄하면서 제 1바이패스덕트(91) 쪽으로향한 유로를 개방시키고, 제 2유로전환밸브(102)는 제 1실외측 흡입덕트(11) 유로를 폐쇄하면서 제 1바이패스덕트(91) 유로를 개방시킨다.

따라서, 상기 제 1반응기(20)를 통과하며 냉각된 공기는 고온의 펌핑유니트(60)를 지나면서 일정 정도 가열되어 실외측 배기덕트(15)로 안내된 다음, 제 1바이패스덕트(91)를 거쳐 제 1실외측 흡입덕트(11)로 재유입된 후 다시 제 1반응기(20)로 유도되며, 전술한 과정을 반복적으로 수행하게 된다.

한편, 도 3에 도시된 것과 같이, 댐퍼(40)의 절환판(43)이 회전하여 절환됨과 더불어 각 유로개폐밸브(81, 82, 83, 84)가 변환되어 유로가 변환됨과 동시에, 방향제어밸브(70)가 절환되면서 제 1반응기(20)가 발열반응을 하고 제 2반응기(25)가 흡열반응을 하도록 변환되면, 상기 제 1유로전환밸브(101)와 제 2유로전환밸브(102)는 다시 제 1바이패스덕트(91)를 폐쇄하도록 작동한다.

이어서, 제 3유로전환밸브(103)와 제 4유로전환밸브(104)가 제 2바이패스덕트(92)를 개방시키면서 제 2실외측 흡입덕트(12) 및 실외측 배기덕트(15)를 폐쇄하도록 작동한다.

따라서, 제 2반응기(25)를 통과한 냉각된 공기는 펌핑유니트(60)를 지나면서 온도가 상승한 후 제 2바이패스덕트(92)를 거쳐 제 2실외측 흡입덕트(12)로 재입된 다음 다시 제 2반응기(25)로 유도된다.

상기 각 유로전환밸브(101, 102, 103, 104)의 작동은 제 1,2실외측 흡입덕트(11, 12)의 적소에 온도센서를 장착하여 흡입되는 실외 공기의 온도가 소정의 온도 이하로 될 때 콘트롤러에서 자동으로 작동되도록 함이 바람직하나, 반드시 이에 한정하지는 않는다.

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 극저온의 실외 환경하에서 난방운전시 고온의 펌핑유니트를 통과하며 가열된 배출공기를 흡입유로로 바이패스하여 순환시킬 수 있게 되므로 흡열반응을 일으키는 열교환기의 성능을 저하시키지 않고 지속적인 운전을 가능하게 해주므로 시스템에 대한 신뢰성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (4)

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

   상기 하우징 내부에 설치되고, 내부에 수소 저장합금이 충전되어, 상기 실외측 공기흡입유로 및 실내측 공기흡입유로를 통해 유입되는 공기와 열교환을 일으키는 한 쌍의 반응기와;

   상기 반응기 사이에 설치되어 각 반응기를 통과한 공기가 서로 섞이지 않고 각각 실내측 배기유로와 실외측 배기유로 쪽으로 분리되어 유동하도록 안내하는 댐퍼와;

   상기 실외측 공기흡입유로 및 실내측 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 하우징 내부에서 실외측 배기유로 측에 설치되고, 상기 수소 유로관에 연결되어 어느 한 반응기에서 다른 한 반응기로 수소를 강제 압송하도록 압송력을 발생시키는 펌핑유니트와;

   상기 수소 유로관에 설치되어 수소의 압송 방향을 제어하는 방향제어밸브와;

   상기 실외측 배기유로를 통해 배출되는 공기를 실외측 공기흡입유로로 안내하도록 실외측 배기유로와 실외측 공기흡입유로와 연통되게 설치되는 바이패스유로 및;

   상기 실외측 배기유로와 바이패스유로 및 실외측 공기흡입유로를 선택적으로 개폐하며, 공기 흡,배출 유로를 전환시키는 유로전환수단을 포함하여 구성된 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 유로전환수단은, 상기 바이패스유로와 실외측 배기유로의 연결 부위에 설치되어 실외측 배기유로를 폐쇄함과 동시에 바이패스유로를 개방시키는 제 1유로전환밸브와, 상기 바이패스유로와 실외측 공기흡입유로의 연결 부위에 설치되어 실외측 공기흡입유로를 폐쇄함과 동시에 바이패스유로를 개방시키는 제 2유로전환밸브로 구성된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 실외측 공기흡입유로와 실내측 공기흡입유로는 하우징의 양측면부에 각각 쌍으로 형성된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1,2실외측 흡입덕트의 적소에 유입되는 실외의 공기의 온도를 측정하는 온도센서를 장착하고, 제 1,2유로전환밸브는 난방운전시 상기 온도센서에 의해 측정된 온도가 설정된 온도 이하가 될 때 작동되어 유로를 전환시키도록 된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.