KR20040020767A - 자연축열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상변화물질의 잠열을 이용한 고밀도 자연축열장치에 관한 것으로, 냉동기 등의 인위적인 열원을 사용하지 않고 주간과 야간의 기온 차이와 같이 온도변화가 있는 주위 환경으로부터 온열 혹은 냉열의 선택적 자연축열이 가능하도록 한 것이다. 본 발명은 축열용기의 벽면구조를 열전달 방향을 일정한 방향으로만 제한함으로써 내부와 외부의 온도차이가 존재하는 축열용기의 벽면을 통해 상변화 물질로 된 축열재로 온열 혹은 냉열이 잠열 형태로 저절로 이루어진다.

Description

자연축열장치{Self Energy Storage System}

본 발명은 상변화물질의 잠열을 이용한 고밀도 자연축열장치에 관한 것으로, 특히 별도의 열원이나 기구를 사용하지 않고 주간과 야간의 기온차이와 같이 온도변화가 존재하는 주위 환경으로부터 온열 혹은 냉열의 선택적인 자연 축열이 가능한 자연축열장치에 관한 것이다.

최근에 전력의 부하평준화 등과 관련하여 축열기술의 필요성이 급증하고 있다. 근래의 발전설비들이 부하추종형으로 운전하기 곤란한 대용량화 및 원자력발전의 증가 추세이고, 산업의 발전 및 국민소득의 향상에 따른 하절기 냉방수요의 급격한 증가는 발전설비의 비효율적 운전을 초래하는 주된 원인이 되고 있다.

이러한 발전설비의 부하 조절을 위하여, 축냉식 냉방시스템은 상대적으로 전력수요가 적은 심야 시간대에 냉동기를 운전하여 냉열을 축열하고 주간에는 심야에 축열된 냉열을 냉방에 이용하여 주간 시간대의 냉방용 전력수요를 감소시킬 수 있다. 특히 빙축열시스템은 심야시간대에 냉동기를 운전하여 물을 얼음으로 만듦으로써 고밀도의 잠열축열이 가능하다. 이때 물의 잠열량은 약 80kcal/kg이며 0℃에서 고체-액체 상변화시의 잠열이 다른 물질에 비하여 매우 높기 때문에 축열밀도가 높아서 축열조의 용량을 최소화할 수 있다. 그러나 사용하고자 하는 온도가 물의 상변화 온도인 0℃보다 낮거나 높은 경우에는 이에 적합한 상변화 온도를 갖는 적합한 상변화 물질을 축열재로 사용하여야 한다.

현재 상변화물질을 이용한 축열기술의 현황을 보면 잠열축열식 온수 및 난방 보일러가 보급되여 있고, 태양열 또는 히트펌프와 연계한 축열공조, 폐열회수, 바닥난방, 온실난방 및 건축소재로서의 단열판, 그리고 각종 냉장 및 냉동식품보관에의 이용 등이 있다. 이러한 경우에는 물이 아닌 적합한 상변화 온도를 가지는 유기물 및 무기물 등이 축열재로 이용되고 있다.

최근의 상변화물질 축열기술 응용분야로는 이동통신 및 광통신을 위한 기지국 및 중계기의 냉각시스템을 들 수 있다. 세계적으로 급격히 증가하고 있는 각종 통신수단의 수요에 따라 설치되고 있는 기지국 및 중계기는 고성능화 및 고집적화로 인하여 기기의 발열 밀도가 매우 커지고 있으며, 설치장소는 주택가, 빌딩가, 산속 및 사막 등으로 그 용도에 따라 다양하여 냉각시스템의 선택에도 많은 제한 조건이 따른다.

이러한 통신산업에서는 높은 신뢰성을 요구하므로, 기기의 냉각을 위하여 냉동기를 장시간 지속적으로 운전하는 경우에는 냉동기의 내구성이 문제가 된다. 냉동기를 이용한 냉각시스템은 특히 설치장소가 산 속이나 사막인 경우에는 전기의 공급이 용이하지 않을 뿐만 아니라 냉동기의 고장시에 접근이 용이하지 않아서 단 시간내의 대처에 어려움이 있다. 설치장소가 주택가인 경우는 냉동기의 소음으로 인한 주민의 불편도 초래하게 된다.

이러한 문제점에 대한 대안으로, 종래에는 도 1 및 도 2와 같이 적합한 상변화 온도를 가지는 축열재를 이용한 자연공조식 냉각시스템이 도입되고 있다.

이 시스템은 쉘터형 냉각시스템으로, 도 1은 야간 축열운전시의 상황을 나타낸 것으로서, 야간에는 상대적으로 저온인 외기(1)를 팬(2)으로 끌어들여서 상변화 물질 즉, 축열재(3)를 냉각하여 잠열형태로 냉열을 저장한다. 이 축열 운전시에도, 축열재(3)로부터의 냉기(7)의 일부가 전자장치(4)의 냉각에 사용되지만, 야간에는 상대적으로 작은 부하로 인하여 전자장치(4)로부터의 고온 공기(5)와 발생도 작다.

따라서, 저온의 외기(1)로부터 축열재(3)에 흡수된 냉열의 양이 전자장치(4)로부터의 고온 공기(5)를 식히고도 여분의 냉열이 남는다. 이 여분의 냉열은 축열재(3)를 식혀서 고체로 응고시키고 잠열형태로 저장된다.

도 2는 주간 방열운전시의 상황을 나타낸 것으로, 외기의 온도가 상대적으로 높은 주간에는 팬(2)의 운전을 정지하고 야간동안에 축열재(3)에 저장된 냉열을 이용하여 발열 전자장치(4)를 냉각한다. 이 때는 전자장치(4)로부터 다량의 고온 공기(5)가 발생하고 외기로부터의 냉열의 도입이 없으므로 전자장치(4)의 냉각을 위하여 축열재(3)에 저장된 냉열(7)을 많이 사용되고 축열재(3)는 녹아서 액체상태로 상변화하게 된다.

다시 야간이 되면, 도 1과 같은 상황을 되풀이하여 냉열을 축열한다. 이렇게 하면 냉동기 없는 냉각시스템을 구성하여 전자장치를 냉각할 수 있다.

이러한 시스템에서는, 통상의 전자부품의 작동 한계온도가 약 65℃에서 90℃ 정도인 것을 감안하여 고-액 상변화 온도가 약 40℃인 파라핀계 유기물질을 축열재로 많이 채용하고 있다. 이 시스템은 산 속이나 사막 등과 같이 주야간의 기온 차이가 큰 경우에 더욱 유효하며, 냉동기를 사용하지 않기 때문에 고신뢰성의 경제적인 에너지 절약형 냉각시스템이 된다.

그러나, 이러한 쉘터형 구조의 자연공조식 냉각시스템은 축열량에 제한이 있기 때문에 최근의 발열량이 큰 고용량의 중계기 냉각시스템에의 적용에는 한계가 있다. 특히 설치장소의 주간과 야간의 기온차가 상대적으로 작은 주택가인 경우에는 그 한계가 현저하다.

또한, 축열시에 저온 외기의 도입을 위한 전기구동 팬(2)이 필수적으로 필요한 단점이 있다. 또한 냉열의 축열이 끝난 후에는 특별한 단열장치가 없으므로 축열재로부터의 열손실이 크다는 것이 단점이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 전기구동 팬을 필요로 하지 않고 축열재 용기의 벽면 구조를 열전달 방향을 제한할 수 있는 특징을 이용하여 대기의 자연대류 열전달에 의한 축열이 가능하며 냉열 혹은 온열이 선택적으로 자연 축열될 수 있는 자연축열장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 중계기 냉각시스템의 야간축열 운전 개략도

도 2는 종래의 중계기 냉각시스템의 주간방열 운전 개략도

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 자연축열장치의 기본단위 조감도 및 단면도

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 축열용기의 벽면구조 확대도

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 격판 형상을 나타낸 확대도

도 6a 및 6b는 본 발명에 따른 자연축열장치의 개략도 및 단면도

도 7a 및 7b는 본 발명에 따른 자연축열장치의 기본단위를 병렬 및 직렬로 연결한 개략도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

8 : 축열용기 9 : 축열재

10 : 냉매유로 11 : 냉매유동

12 : 벽면구조 13 : 단열재

14 : 내벽 15 : 외벽

16 : 공기 17 : 격판

18 : 중력방향 19 : 외벽 핀

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 열전달방향과 열전달량을 제어할 수 있는 벽면구조를 가지는 축열용기와, 축열용기 내부에 적합한 온도에서 상변화하는 물질이 충진된 축열재, 및 축열재 충진공간에 냉매가 흐르는 냉매유로로 구성됨을 특징으로 한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 자연축열장치의 기본단위 조감도 및 단면도를 나타낸 것이다.

도 3a는 자연축열장치의 기본단위 조감도로서, 축열용기(8)의 내부에는 적합한 온도에서 상변화하는 축열재(9)를 충진한다. 본 발명에서는 통상의 전자부품의 작동 한계온도가 약 65℃에서 90℃ 정도인 것을 감안하고 지역의 평균온도를 고려하면, 고-액 상변화 온도가 36.4℃이고 융해열이 247kJ/kg인 파라핀계 유기물질(C₂₀H₄₂) 등을 축열재로 사용할 수 있다. 또한 고체-액체 및 고체-고체 상변화물질을 사용할 수 있다. 이 축열재(9)에는 열전도성이 좋은 금속 등의 분말이나 입자를 혼합하여 축열재 공간의 열전달 성능을 높인다.

한편, 축열용기(8) 내부의 축열재(9) 충진공간에는 독립된 냉매유로(10)가 관통하여 냉매유동(11)으로 축열된 에너지를 냉각시스템에서 필요한 곳으로 냉열을 반송하여 이용한다.

도 3b는 자연축열장치의 기본단위 단면도로서, 축열용기(8)의 벽면구조(12)를 평행사변형의 밀폐공간으로 구성하여 열전달 방향을 일정 방향으로만 제한함으로써, 온도변화가 존재하는 주위로부터 축열재(9)로의 원하는 축열(온열 혹은 냉열)이 저절로 이루어진다.

여기서, 벽면구조(12)는 냉열만의 축열을 위한 것이다. 벽면구조(12)는 기본적을 이중판으로 구성되며, 그 사이에 경사진 격판(17)을 설치하여 평행사변형 밀폐공간이 형성되게 한다. 여기서 용기의 상하벽면(13)은 단열재로 충진한다.

도 4a 및 도 4b는 벽면구조 한 개의 밀폐공간을 확대한 모식도로서, 밀폐공간내의 공기(16)는 벽면 내부와 외부의 온도차에 의한 자연대류현상으로 유동하고, 공기의 유동(16)은 밀폐공간의 격판(17)의 경사각 및 내외부 벽면(14, 15)의 온도분포에 따라 결정된다. 여기서 축열용기(8)의 상하벽면(도시되지 않음)은 단열재로 충진한다.

도 4a는 축열재의 온도가 외기의 온도보다 높은 경우의 벽면구조로서, 중력 방향(18)이 밑으로 향하고 축열재(9)가 충진된 용기 내부의 온도가 외기의 온도보다 높을 때이다. 고온의 내부 벽면(14)에서 열을 흡수하고 더워져서 가벼워진 공기는 상향으로 경사진 격판(17)의 벽면을 따라 저온의 외부 벽면(15)까지 원활하게 이동하여 열을 방출한다. 저온의 외부벽면(15)에서 열을 방출하고 차가워져서 무거워진 공기는 하향으로 경사진 격판(17)의 벽면을 따라 다시 고온의 내부 벽면(14)으로 원활하게 이동하게 된다. 이 때 외벽(15)으로 이송된 열은 외기의 자연대류에 의해 식혀지고 대기로 소산하게 된다. 이렇게 이중판 사이의 공기(16)는 밀폐공간내에서 자연대류로 계속 순환하면서 내외부 벽면(14, 15)을 통과하는 외부로의 열전달을 촉진하므로, 축열재(9)의 온도가 낮아지고 축열재(9)의 상변화 온도 이하가 되면 축열재(9)는 응고하여 잠열로서 냉열을 저장하게 된다. 이러한 격판(17)의 경사각을 조정하면 열전달량을 제어할 수도 있다.

도 4b는 축열재의 온도가 외기의 온도보다 낮은 경우의 축열용기 벽면구조로서, 고온의 외부 벽면(15)에서 열을 흡수하여 더워져서 가벼워진 공기(16)는 고온 벽면(15)에서 상승하지만, 곧 하향으로 경사진 격판(17)에 충돌하여 고온 벽면(15)부근에서만 재순환 유동을 형성하게 된다. 마찬가지로, 저온의 내부 벽면(14)에서 차가워져서 무거워진 공기(16)는 저온벽면(14)을 따라 하강하지만, 곧 상향으로 경사진 격판(17)에 충돌하여 저온의 내부 벽면(14)부근에서만 재순환 유동을 형성하게된다. 이 때, 밀폐공간내의 넓은 중앙부의 공기(16)는 거의 정체된 상태로 존재한다.

본래 유동이 없는 공기는 전도에 의해서만 열을 전달하므로, 0.026 정도의 낮은 열전도계수를 가지는 공기는 우수한 단열층의 역할을 한다. 따라서 온도가 높은 외기로부터의 열이 온도가 낮은 내부로 전달되는 것을 차단하게 된다.

여가서, 축열용기(8)의 벽면구조(12)는 열전달의 방향을 제한하고 열전달량을 제어할 수 있기 때문에 다양한 단열 벽면 및 플랜트 공정의 열기기의 폐열회수에 응용할 수 있다.

본 발명에서의 도 3b와 같은 격판(17)의 배열을 이용하면 축열재(9)로 채워진 내부로부터 외기로만 열전달이 가능하도록 하고 외기로부터 내부 축열재(9)로의 열전달을 차단하도록 열전달 방향을 제한할 수 있다. 따라서, 외기의 온도변화가 존재하더라도 축열용기 내에는 항상 냉열만이 저장된다. 이러한 벽면구조(12)로 된 축열용기에 축열재를 충진하여 대기중에 설치하면, 야간에는 용기내의 축열재가 저온의 외기로 열을 방출하고 응고하여 잠열형태로 냉열을 저장하며, 주간에는 고온의 외기로부터의 열의 침입을 차단하여 이상적인 냉열 축열장치로 이용할 수 있다.

한편, 용기의 이중벽면 사이의 격판(17)의 경사방향을 도 3b와 반대방향으로 설치하게되면, 외기로부터의 열이 내부로는 잘 전달되지만 용기내부로부터 외기로의 열의 방출을 차단하여 우수한 온열 축열장치로 이용할 수 있다.

이렇게 자연 축열된 열은, 축열용기를 관통하도록 독립적으로 설치한 냉매유로(10)를 흐르는 냉매유동(11)을 이용하여 필요시에 뽑아내어 냉각 및 가열을 위한열원으로 이용할 수 있다.

도 5a 내자 5c는 본 발명의 격판의 모양을 나타낸 것으로서, 축열용기(8)의 벽면구조(12)에서 격판(17)을 다양하게 설계하여 우수한 열전달 방향 제한 성능과 원하는 정도의 열전달이 이루어지도록 설계할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 자연축열장치의 개략도 및 단면도를 나타낸 것이다.

도 6a는 자연축열장치의 개략도로서, 상변화물질이 충진된 축열용기(8)의 외벽에 다양한 형상의 외벽 핀(19)을 설치하여 외기의 자연대류에 의한 열전달을 최대로 활용하여 열전달을 원활하게 할 수 잇다.

도 6b는 자연축열장치의 단면도로서, 상변화물질(9)이 충진된 축열용기(8)의 내벽에 핀 형상의 구조물(20), 혹은 열전도성이 우수한 금속으로 된 다공성 폼 구조물, 스프링 형상의 구조물, 그물망 형상의 구조물 등을 도입하여 축열재(9) 내의 열전달 성능을 향상시킬 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 자연축열장치의 기본 단위를 병렬 및 직렬로 연결한 개략도로서, 기본단위의 축열용기(8) 여러 개를 병열 또는 직렬로 연결하여 대용량의 방열성능이 요구되는 경우에 사용할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 도 7a 및 도 7b와 같은 자연축열장치의 외부에 팬을 설치하여 필요한 경우에 외기와의 열전달촉진 기구로 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 자연축열장치는 주간과 야간의 기온과 같이 온도변화가 존재하는 다양한 환경에서 별도의 에너지소비 기구를 이용하지 않고 냉열이나 온열이 선별되어 자연적으로 저장되는 이상적인 자연 축열장치로 이용할 수 있다. 또한, 열전달의 방향을 제한하고 열전달량을 제어할 수 있는 축열용기의 벽면구조는 다양한 단열 벽면 및 플랜트 공정의 열기기의 폐열회수에 응용할 수 있는 장점이 있다.

Claims (10)

1. 열전달방향과 열전달량을 제어할 수 있는 벽면구조를 가지는 축열용기와,

   상기 축열용기 내부에 충진된 상변화물질의 축열재, 및

   상기 축열재 충진공간에 냉매가 흐르는 냉매유로로 구성됨을 특징으로 하는 자연축열장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 벽면구조는 이중판 벽면구조 사이에 경사진 격판이 설치된 평행사변형의 밀폐공간을 갖는 것을 특징으로 하는 자연축열장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 벽면구조는 밀폐공간내의 공기의 자연대류 원리를 이용하여 열전달의 방향제한 및 용량제어가 가능한 것을 특징으로 하는 자연축열장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 벽면 구조는 다양한 단열 벽면 및 플랜트 공정의 열기기의 폐열회수에 응용하는 것을 특징으로 하는 자연축열장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 축열재에 열전도성 분말 및 입자를 혼합하는 것을 특징으로 하는 축열장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 축열재는 고체-액체 및 고체-고체 상변화물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 자연축열장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 축열용기의 외벽에 외기의 자연대류에 의한 열전달을 최대로 활용하여 열전달을 원활하기 위하여 핀을 설치하는 것을 특징으로 하는 자연축열장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 축열용기 내부의 축열재가 충진된 공간에 열전달 면적의 증가를 위하여 금속으로 된 된 다공성 폼 구조물, 스프링 형상의 구조물, 그물망 형상의 구조물 등의 열전도성 구조물을 설치하여 내부공간의 열전달을 촉진하는 것을 특징으로 하는 자연축열장치.
9. 제1항에 있어서,

   상기 축열용기를 여러 개 병열 또는 직렬로 연결하여 대용량의 방열성능이 요구되는 경우에 사용하는 것을 특징으로 하는 자연축열장치.
10. 제1항에 있어서,

    상기 유로의 외부에 팬을 설치하여 필요한 경우에 외기와의 열전달촉진 기구로 사용하는 것을 특징으로 하는 자연축열장치.