KR20040006645A - 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 제어하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 냉난방장치 제어방법은, 실내 온도가 설정 온도에 도달하거나 사용자가 외부에서 전원 오프 명령을 입력한 경우, 송풍팬의 운전만 정지시키고 압축기의 운전은 지속시킨 상태에서 사이클 내의 수소가 완전히 어느 한 반응기 내로 흡장되는 시기, 즉 유로제어밸브의 변환 작동 시기에 압축기의 운전을 정지시키도록 한 것을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명에 의하면 반응기를 제외한 냉난방장치의 사이클 내에 수소가 잔존하지 않도록 되어, 수소 누설 및 폭발의 위험성이 최소화되고, 기동 초기에 냉난방성능이 저하되는 것이 방지된다.

Description

수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법{Method for Controlling Cooling and Heating Device Using Hydrogen Storage Alloys}

본 발명은 냉난방장치에 관한 것으로, 특히 수소와 수소 저장합금간의 반응에 따른 흡열 혹은, 발열의 상관 관계를 이용하여 주변 공기를 냉각 혹은, 가열시킴으로써 냉기 혹은, 온기를 생성하여 실외기가 필요없는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법에 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 제공하고자 한 것이다.

특히, 본 발명은 수소를 냉매로 사용하는 냉난방장치의 운전 정지시 수소가 사이클 내에 유동하던 상태로 존재하지 않고 완전히 한 반응기 내부로 흡장될 수 있도록 함으로써 수소 누설 및 폭발 등의 위험성을 최소화하고, 초기 기동시 냉난방능력이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 냉난방장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도

도 2는 도 1의 냉난방장치의 사이클이 전환된 상태를 나타낸 구성도

도 3은 본 발명에 따른 냉난방장치의 제어방법의 일 실시예를 설명하는 플로차트

도 4는 본 발명에 따른 냉난방장치의 제어방법의 다른 실시예를 설명하는 플로우차트

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 15 : 제 1,2반응기 20 : 수소 유로관

30, 35 : 송풍팬 40 : 압축기

50 : 유로제어밸브 51 : 연결관로

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 의하면, 내부에 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와; 외부의 공기를 강제 흡입시킨 후 실내 및 실외로 강제 송풍시키는 송풍팬과; 상기 각 반응기와 연결되고, 수소가 유동하는 수소 유로관과; 상기 수소 유로관에 연결되어 어느 한 반응기에서 다른 한 반응기로 수소를 강제 압송하도록 압송력을 발생시키는 압축기와; 상기 수소 유로관에 설치되어, 어느 한 반응기 내로 수소가 완전히 흡장되면 유로가 변환되면서 수소의 압송 방향을 전환시키는 유로제어밸브를 포함하여 구성된 냉난방장치의 운전을 제어함에 있어서, 실내온도를 감지하는 제 1단계; 감지된 실내 온도가 설정 온도에 도달할 경우 유로제어밸브의 변환 시기에 도달했는지를 판단하는 제 2단계와; 유로제어밸브의 변환 시기에 도달하지 않은 경우 압축기 운전을 지속하고, 유로제어밸브의 변환시기에 도달하게 되면 압축기 운전을 정지시키는 제 3단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법이 제공된다.

본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 상기와 같이 구성된 냉난방장치를 제어함에 있어서, 사용자가 외부에서 냉난방장치의 전원 오프를 입력할 경우, 유로제어밸브의 변환 시기에 도달했는지를 판단하는 제 1단계와; 유로제어밸브의 변환 시기에 도달하지 않은 경우 압축기 운전을 지속하고, 유로제어밸브의 변환시기에 도달하게 되면 압축기 운전을 정지시키는 제 2단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

먼저, 도 1과 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 제어방법이 적용되는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치는 크게 한 쌍의 반응기(10, 15)와, 수소 유로관(20)과, 압축기(40)와, 송풍팬(30, 35)과, 유로제어밸브(50)를 포함하여 구성된다.

도면에 구체적으로 도시하지는 않았으나, 상기 각 반응기(10, 15)는 수소 저장합금이 충전되어 이루어진 용기와, 상기 용기에 접촉되어 외기와의 열교환 면적을 확장시키도록 한 열교환핀으로 이루어져, 상기 송풍팬(30, 35)에 의해 흡입되는 외부 공기와 열교환을 수행한다.

이와 같은 각 반응기(10, 15)는 수소의 유입이 이루어질 경우 발열 반응을 수행하여 주변 공기를 가열하고, 수소의 방출이 이루어질 경우 흡열 반응을 수행하여 주변 공기를 냉각하는 역할을 수행한다.

그리고, 상기 수소 유로관(20)은 각 반응기(10, 15)와 연결되도록 구성되며, 상기 어느 하나의 반응기(이하, “제1반응기”라 한다)(10)로부터 다른 하나의 반응기(이하, “제2반응기”라 한다)(15)로의 수소 유동을 안내하는 역할을 한다.

또한, 상기 압축기(40)는 상기 수소 유로관(20)의 관로 상에 설치되며, 수소를 상기 수소 유로관(20)을 통해 어느 한 반응기로부터 다른 한 반응기로 강제로 압송하는 압송력을 발생시킨다.

그리고, 상기 송풍수단(30, 35)은 외부의 공기를 강제 흡입하여 흡입된 공기가 상기 각 반응기(10, 15)를 통과하며 열교환되도록 한 다음 실내 혹은 실외로 배출될 수 있도록 강제 송풍하는 역할을 수행한다.

상기 유로제어밸브(50)는 전기적으로 작동하며 유로를 전환하는 일종의 4웨이(4-way) 솔레노이드밸브로서 상기 수소 유로관(20)내를 유동하는 수소의 유동방향을 결정하는 역할을 하게 된다.

상기 유로제어밸브(50)의 구성에 대해 좀더 구체적으로 설명하면, 유로제어밸브(50)는 4개의 포트(port)를 구비하며, 각 포트들은 상기 수소 유로관(20)을 매개로 하여 제 1,2반응기(10, 15)와 압축기(40)의 입력포트 및 출력포트에 연결되고, 유로제어밸브(50)의 내부에는 콘트롤러(미도시)의 전기 신호에 의해 변환되면서 각 포트 간의 연결을 제어하는 연결관로(51)가 구비된다.

한편, 도면에 도시하지는 않았으나 상기 반응기(10, 15) 사이의 공간에는 각 반응기(10, 15)를 통과한 열교환된 공기를 실내와 연통되는 배기유로 및 실외와 연통되는 배기유로로 교대로 분리하여 안내하는 공기유로 안내장치가 구비되어 있다.

상기와 같이 구성된 냉난방장치는 다음과 같이 작동한다.

먼저, 도 1에 도시된 것과 같이, 상기 유로제어밸브(50)의 연결관로(51)가제 1반응기(10)와 연결된 포트 및 압축기(40)의 입력포트와 연결된 포트를 연결하고 있는 상태일 경우, 냉난방장치는 제 1반응기(10) → 유로제어밸브(50) → 압축기(40) → 유로제어밸브(50) → 제 2반응기(15)로 이어지는 수소 이동 경로를 갖게 된다.

이와 같은 상태에서, 냉난방장치의 콘트롤러(미도시)의 제어에 의해 압축기(40)가 구동되면, 상기 제 1반응기(10) 내의 수소는 유로제어밸브(50)의 연결관로(51)를 지나 압축기(40)로 유입된 다음, 압축기(40)에 의해 소정의 압력으로 토출되어 유로제어밸브(50)를 거쳐 제 2반응기(15)로 유입된다.

이에 따라, 수소가 방출되는 제 1반응기(10)는 흡열반응을 하게 되고, 반대로 수소가 유입되는 제 2반응기(15)는 발열반응을 하게 된다.

이와 동시에 각 송풍팬(30, 35)이 작동하여 외부의 공기가 유입되며 제 1,2반응기(10, 15)와 열교환을 일으키게 되는데, 제 1반응기(10) 쪽으로 흡입된 외기는 냉각된 후 실내와 연통된 배기유로(미도시)를 통해 실내로 배출되어 실내를 냉방시키고, 제 2반응기(15) 쪽으로 흡입된 외기는 가열된 후 실외와 연통된 배기유로(미도시)를 통해 실외로 배출된다.

이와 같이 냉방운전을 수행하는 도중 제 1반응기(20)의 수소가 제 2반응기(25)로 모두 이동하게 되면, 도 2에 도시된 것과 같이 유로제어밸브(50)의 연결관로(51)가 변환되면서 제 2반응기(15)와 연결된 포트 및 압축기(40)의 입력포트와 연결된 포트를 연결시킨다.

이에 따라서, 수소 이동 경로가 전술한 것과는 반대로 되어 제 2반응기(25)로부터 제 1반응기(20)로 수소가 이동하게 되고, 전술한 것과는 반대로 제 2반응기(25)가 흡열반응을 하게 되고, 제 1반응기(20)는 발열반응을 하게 된다.

상기 제 2반응기(15)를 통해 흡입되는 공기는 냉각된 후 실내와 연결된 배기유로(미도시)를 통해 실내로 배출되고, 제 1반응기(10)를 통해 흡입되는 공기는 가열된 후 실외와 연결된 배기유로(미도시)를 통해 실외로 배출된다.

상기 냉난방장치는 실내가 원하는 냉방온도로 될 때까지 또는 사용자가 전원 오프(OFF)를 입력할 때까지 상기와 같은 과정을 연속적으로 반복 수행하게 되는데, 만약 실내가 원하는 냉방온도가 되거나 사용자가 전원 오프를 입력했을 때 압축기(40)의 운전이 바로 정지하게 되면 수소가 수소 유로관(20)을 비롯하여 사이클 전반에 걸쳐 그 상태로 존재하게 되어 누설 또는 폭발 등의 위험성이 상존하며, 냉난방장치를 재기동하는 초기에 냉방능력 또는 난방능력이 저하되게 된다.

이에 본 발명은, 도 3에 도시된 것과 같이, 실내가 원하는 냉방온도에 도달하게 되면, 송풍팬(30, 35)의 운전만 정지시키고 압축기(40)는 계속 운전되도록 한 다음, 수소가 완전히 한 쪽 반응기(10 또는 15)에 흡장되는 시기, 즉 유로제어밸브(50)의 변환 작동 시기에 도달한 것으로 판단되었을 때 압축기(40)의 운전을 정지하도록 함으로써 반응기(10, 15)를 제외한 사이클 내에 수소가 존재하는 것을 최소화하도록 하는 제어방법을 제시한다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이 운전중 외부에서 사용자가 전원 오프(OFF) 명령를 입력했을 경우에는, 명령 입력과 동시에 바로 압축기(40)의 운전을 정지시키지 않고 송풍팬(30, 35)의 운전만 정지시키고, 이 상태에서 유로제어밸브(50)의변환 작동 시기에 도달한 것으로 판단되었을 때 압축기(40)의 운전을 정지하도록 한다.

본 발명의 냉난방장치로 난방작동을 수행하고자 할 경우에는 발열반응을 하는 반응기를 통과한 따뜻한 공기가 실내로 안내되도록 하고, 흡열반응을 하는 반응기를 통과한 차가운 공기는 실외로 안내되도록 하면 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 냉난방운전 정지시 수소가 사이클 전반에 유동하던 상태로 잔존하지 않으므로 수소의 누설 및 폭발 등의 위험성이 최소화되고, 재기동 초기에 냉난방능력이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 내부에 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와; 외부의 공기를 강제 흡입시킨 후 실내 및 실외로 강제 송풍시키는 송풍팬과; 상기 각 반응기와 연결되고, 수소가 유동하는 수소 유로관과; 상기 수소 유로관에 연결되어 어느 한 반응기에서 다른 한 반응기로 수소를 강제 압송하도록 압송력을 발생시키는 압축기와; 상기 수소 유로관에 설치되어, 어느 한 반응기 내로 수소가 완전히 흡장되면 유로가 변환되면서 수소의 압송 방향을 전환시키는 유로제어밸브를 포함하여 구성된 냉난방장치의 운전을 제어함에 있어서,

   실내온도를 감지하는 제 1단계;

   감지된 실내 온도가 설정 온도에 도달할 경우 유로제어밸브의 변환 시기에 도달했는지를 판단하는 제 2단계와;

   유로제어밸브의 변환 시기에 도달하지 않은 경우 압축기 운전을 지속하고, 유로제어밸브의 변환시기에 도달하게 되면 압축기 운전을 정지시키는 제 3단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2단계에서 감지된 실내 온도가 설정 온도에 도달하면 송풍팬의 운전은 정지시키도록 한 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법.
3. 내부에 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와; 외부의 공기를 강제 흡입시킨 후 실내 및 실외로 강제 송풍시키는 송풍팬과; 상기 각 반응기와 연결되고, 수소가 유동하는 수소 유로관과; 상기 수소 유로관에 연결되어 어느 한 반응기에서 다른 한 반응기로 수소를 강제 압송하도록 압송력을 발생시키는 압축기와; 상기 수소 유로관에 설치되어, 어느 한 반응기 내로 수소가 완전히 흡장되면 유로가 변환되면서 수소의 압송 방향을 전환시키는 유로제어밸브를 포함하여 구성된 냉난방장치의 운전을 제어함에 있어서,

   사용자가 외부에서 냉난방장치의 전원 오프를 입력할 경우, 유로제어밸브의 변환 시기에 도달했는지를 판단하는 제 1단계와;

   유로제어밸브의 변환 시기에 도달하지 않은 경우 압축기 운전을 지속하고, 유로제어밸브의 변환시기에 도달하게 되면 압축기 운전을 정지시키는 제 2단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 제 1단계에서 감지된 실내 온도가 설정 온도에 도달하면 송풍팬의 운전은 정지시키도록 한 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법.