KR20040050379A - 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치 및 그의 제어방법 - Google Patents

수소 저장합금을 이용한 냉난방장치 및 그의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉난방장치에 관한 것으로, 압축기를 다단으로 구성하고 각 압축기로 유입 및 토출되는 수소 냉매의 압력을 감지하여 각 압축기 또는 유로제어밸브의 작동을 제어함으로써 전체적인 냉난방 시스템의 효율을 향상시킨 것이다.
이를 위해 본 발명은, 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와; 외기를 실내 및 실외로 강제 송풍시키는 송풍수단과; 수소가 유동하는 수소 유로관과; 수소 유로관 내의 수소를 강제 압송하도록 여러 단계에 걸쳐 압송력을 발생시키는 직렬로 연결된 복수개의 압축기와; 상기 수소 유로관에 설치되어 수소의 압송 방향을 제어하는 유로제어밸브와; 상기 각 압축기로 유입 및 토출되는 수소의 압력을 감지하여 콘트롤러에 전달하는 복수개의 압력감지수단과; 상기 각 압축기에서 토출된 수소를 다음 압축기로 보내지 않고 바로 최종 압축기의 토출측 수소 유로관으로 유도하는 바이패스유로 및; 상기 각 바이패스유로 상에 연결되어 수소의 유동을 허용 및 차단하는 개폐밸브를 포함하여 구성된 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치가 제공된다.

Description

수소 저장합금을 이용한 냉난방장치 및 그의 제어방법{Cooling and Heating Device Using Hydrogen Storage Alloys and Method for Controlling the same}
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 냉난방장치 및 그의 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 냉난방장치의 수소 냉매를 펌핑하는 압축기를 다단으로 구성하고 각 압축기로부터 토출되는 수소 냉매의 압력에 따라 각 압축기 또는 유로제어밸브와 같은 시스템의 구성요소의 작동을 제어함으로써 전체적인 냉난방 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치 및 그의 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 냉난방장치의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 도 1의 냉난방장치의 사이클이 전환된 상태를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명의 냉난방장치의 제어방법의 일 실시예를 설명하는 플로우차트
도 4는 본 발명의 냉난방장치의 제어방법의 다른 실시예를 설명하는 플로우차트
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10, 15 : 제 1,2반응기 20 : 수소 유로관
30, 35 : 송풍수단 40, 45 : 제 1,2압축기
50 : 유로제어밸브 51 : 연결관로
60 : 바이패스유로 65 : 개폐밸브
71, 72, 73 : 제 1,2,3 압력센서
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 의하면, 내부에 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와; 외부의 공기를 강제 흡입시켜 각 반응기를 통해 열교환시킨 후 실내 및 실외로 강제 송풍시키는 송풍수단과; 상기 각 반응기와 연결되고, 수소가 유동하는 수소 유로관과; 상기 수소 유로관에 연결되어 상기 수소 유로관 내의 수소를 강제 압송하도록 여러 단계에 걸쳐 압송력을 발생시키는 직렬로 연결된 복수개의 압축기와; 상기 수소 유로관에 설치되어 수소의 압송 방향을 제어하는 유로제어밸브와; 상기 수소 유로관에 설치되어, 상기 각 압축기로 유입 및 토출되는 수소의 압력을 감지하여 콘트롤러에 전달하는 복수개의 압력감지수단과; 상기 각 압축기에서 토출된 수소를 다음 압축기로 보내지 않고 바로 최종 압축기의 토출측 수소 유로관으로 유도하는 바이패스유로 및; 상기 각 바이패스유로 상에 연결되어 수소의 유동을 허용 및 차단하는 개폐밸브를 포함하여 구성된 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치가 제공된다.
본 발명의 다른 한 형태에 의하면, 상기와 같은 냉난방장치를 제어함에 있어서, 압력감지수단이 각 압축기로 유입 및 토출되는 수소의 압력을 실시간으로 감지하여 콘트롤러로 전달하는 제 1단계와; 콘트롤러에서 전달된 압력에 따라 압축비를 산출하는 제 2단계; 산출된 압축비를 콘트롤러에 미리 입력된 설정값과 비교하여 각 압축기와 개폐밸브 또는 유로제어밸브의 작동을 제어하도록 한 제 3단계를 포함하여 구성된 냉난방장치의 제어방법이 제공된다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치 및 그의 제어방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
먼저, 도 1과 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치는 크게 한 쌍의 반응기(10, 15)와, 수소 유로관(21~25)과, 제 1압축기(40) 및 제 2압축기(45)와, 제 1,2,3압력센서(71, 72, 73)와, 송풍수단(30, 35) 및, 유로제어밸브(50)를 포함하여 구성된다.
도면에 구체적으로 도시하지는 않았으나, 상기 제 1,2반응기(10, 15)는 수소 저장합금이 충전되어 이루어진 용기와, 상기 용기에 접촉되어 외기와의 열교환 면적을 확장시키도록 한 열교환핀으로 이루어져, 상기 송풍수단(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 열교환기로서의 역할을 수행한다.
그리고, 상기 수소 유로관(21~25)들은 각 반응기(10, 15)와 각각 연결되도록 구성되며, 상기 어느 하나의 반응기(이하, “제1반응기”라 한다)(10)로부터 다른하나의 반응기(이하, “제2반응기”라 한다)(15)로의 수소 유동을 안내하는 역할을 한다.
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.
또한, 상기 제 1,2압축기(40, 45)는 상기 수소 유로관(21~25)의 관로 상에 직렬로 연결되어, 수소 냉매를 2단에 걸쳐 압축하여 토출할 수 있도록 함으로써 수소 유로관(20) 내에 수소 압송력을 발생시키는데, 이와 같이 압축기를 제 1압축기(40)와 제 2압축기(45)의 2개로 구성한 이유는 시스템의 상황에 따라 하나 또는 2개의 압축기를 선택적으로 운전함으로써 소요 동력을 줄이고 압축기 효율을 향상시키기 위함이다.
한편, 상기 1,2,3압력센서(71, 72, 73)는 각각 상기 제 1압축기(40)의 입구부와 연결된 수소 유로관(22)과 제 1,2압축기(40, 45) 사이의 수소 유로관(23) 및 제 2압축기(45)의 토출구와 연결된 수소 유로관(24)에 설치되어 관내를 유동하는 수소의 압력(P1, P2, P3)을 실시간으로 측정하여 콘트롤러(미도시)에 전달한다.
그리고, 상기 제 1,2압축기(40, 45) 사이의 수소 유로관(233)과 제 2압축기(45)의 토출구와 연결된 수소 유로관(24) 사이에는 제 1압축기(40)로부터 토출된 수소 냉매를 제 2압축기(45)를 거치지 않고 바로 송출할 수 있도록 바이패스유로(60)가 연결되어 있으며, 상기 바이패스유로(60)의 입구부에는 바이패스유로(60)를 통한 수소 유동을 허용하는 개폐밸브(65)가 설치된다.
한편, 상기 유로제어밸브(50)는 전기적으로 작동하며 유로를 전환하는 일종의 4웨이(4-way) 솔레노이드밸브로 상기 수소 유로관(21~25)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(21~25)을 매개로 하여 제 1,2반응기(10, 15)와, 제 1압축기(40)의 입력포트 및, 제 2압축기(45)의 출력포트에 각각 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)가 제 1반응기(10)와 연결된 포트 및 제 1압축기(40)의 입력포트와 연결된 포트를 연결하고 있는 상태일 경우, 냉난방장치는 제 1반응기(10)→유로제어밸브(50)→제 1압축기(40)→제 2압축기(45)→유로제어밸브(50)→제 2반응기(15)로 이어지는 수소 이동 경로를 갖게 된다.
이와 같은 상태에서, 냉난방장치의 콘트롤러(미도시)의 제어에 의해 제 1,2압축기(40, 45)가 구동되면 수소 유로관(21~25)의 내부는 상기 제 1,2압축기(40,45)의 작동에 따라 수소를 압송하는 압송력이 발생하게 된다.
따라서, 상기 제 1반응기(10) 내의 수소는 유로제어밸브(50)의 연결관로(51)를 지나 제 1압축기(40) 및 제 2압축기(45)를 통해 유로제어밸브(50)로 토출되어 제 2반응기(15)로 안내된다.
이에 따라, 수소가 방출되는 제 1반응기(10)는 흡열반응을 하게 되어 주위의 공기를 냉각시키게 되고, 반대로 수소가 유입되는 제 2반응기(15)는 발열반응을 하게 되어 주위의 공기를 가열시키게 된다.
이와 동시에 각 송풍수단(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(10)의 수소가 제 2반응기(15)로 모두 이동하거나 혹은 냉난방장치가 일정시간 운전하여 콘트롤러에 미리 입력된 사이클 전환 시점이 되면, 도 2에 도시된 것과 같이 유로제어밸브(50)의 연결관로(51)가 변환되면서 제 2반응기(15)와 연결된 포트 및 제 1압축기(40)의 입력포트와 연결된 포트를 연결시킨다.
이에 따라서, 수소 압송 방향이 반대로 되어 제 2반응기(15)로부터 제 1반응기(10)로 수소가 이동하게 되어, 전술한 것과는 반대로 제 2반응기(15)가 흡열반응을 하게 되고, 제 1반응기(10)는 발열반응을 하게 된다.
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 혹은 설정 시간까지 상기와 같은 과정을 연속적으로 반복 수행하게 된다.
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.
한편, 상기와 같이 냉난방운전을 하는 도중 상기 제 1,2,3압력센서(71, 72, 73)는 유동하는 수소의 압력(P1, P2, P3)을 실시간으로 검출하여 콘트롤러(미도시)에 전달하며, 콘트롤러에서는 상기 각 압력센서(71, 72, 73)에 의해 검출된 수소 냉매의 압력에 따라 각 압축기(40, 45)의 압축비(P2/P1 ; P3/P2)를 산출하여 압축기 운전 또는 유로제어밸브(50) 등 시스템 전체의 운전을 제어한다.
예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이, 제 1,2압력센서(71, 72)에 의해 측정된 제 1압축기(40)의 압축비(P2/P1)가 설정값(C1)보다 작은 경우에는 제 2압축기(45)의 운전은 정지시키고 제 1압축기(40)만 구동하며, 이와 동시에 개폐밸브(65)를 작동시켜 제 1압축기(40)로부터 토출된 수소 냉매를 바이패스유로(60)를 통해 유동시키도록 제어할 수 있다.
또한, 운전중 압축비(P2/P1)가 설정값(C1) 이상이 되면 제 1,2압축기(40, 45) 모두를 운전시키고, 개폐밸브(65)는 폐쇄 작동시켜 바이패스유로(60)를 차단 상태가 되도록 한다.
이러한 제어방법의 실시예에 따르면, 제 1압축기(40)의 압축비에 따라 제 2압축기(45)의 운전을 정지 또는 구동시키며 운전을 제어할 수 있게 되므로 소요 동력을 줄일 수 있는 이점을 얻을 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 본 발명의 냉난방장치는 정해진 시간동안 운전하여 사이클 전환 시점에 도달하면 유로제어밸브(50)가 변환 작동되며 유로를 전환하게 되는데, 상황에 따라 각 압축기(40, 45)의 압축비가 이상적으로 커지거나 토출 압력이 이상적으로 높아지는 경우가 발생할 수 있는 바, 본 발명은 도 4에 도시된 것과 같이, 제1,2압축기(40, 45)의 압축비(P2/P1; P3/P2)중 어느 하나가 설정값(C2, C3) 이상이 되면 사이클 전환 시점 도달 여부에 상관없이 유로제어밸브(50)가 변환되면서 수소 압송 방향이 변환되도록 하고, 이로써 압축기를 보호할 수 있도록 한다.
한편, 전술한 냉난방장치 및 제어방법의 실시예들에서는 냉난방장치에 2개의 압축기(40, 45)와 압력센서(71, 72, 73) 및 바이패스유로(60)가 설치된 것으로 하여 설명하였으나, 이와 다르게 필요에 따라 더 많은 수의 압축기와 압력센서 및 바이패스유로를 형성하여 냉난방장치의 운전을 제어할 수도 있다.
또한, 각 압축기 사이에 토출된 수소 냉매를 냉각시켜주는 인터쿨러 및 송풍팬을 설치한 냉난방장치에도 전술한 것과 유사하게 압력센서를 적용하여 시스템을제어할 수도 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 냉난방장치는 수소 저장합금의 기술이 적용된 냉난방장치의 각 반응기가 대형화되더라도 전체적인 시스템의 크기는 상기 반응기의 크기에 비례하여 대형화하지 않아도 되는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 냉난방장치의 수소 냉매를 펌핑하는 압축기를 다단으로 구성하고, 압력센서에 의해 실시간으로 측정되는 각 압축기의 압축비 및 토출 압력에 따라 압축기 및 시스템의 운전을 제어함으로써 소요 동력을 절감하고 압축기 효율을 향상시킴과 함께, 이상압력 발생시 압축기를 보호하여 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과도 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 내부에 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와;
    외부의 공기를 강제 흡입시켜 각 반응기를 통해 열교환시킨 후 실내 및 실외로 강제 송풍시키는 송풍수단과;
    상기 각 반응기와 연결되고, 수소가 유동하는 수소 유로관과;
    상기 수소 유로관에 연결되어 상기 수소 유로관 내의 수소를 강제 압송하도록 여러 단계에 걸쳐 압송력을 발생시키는 직렬로 연결된 복수개의 압축기와;
    상기 수소 유로관에 설치되어 수소의 압송 방향을 제어하는 유로제어밸브와;
    상기 수소 유로관에 설치되어, 상기 각 압축기로 유입 및 토출되는 수소의 압력을 감지하여 콘트롤러에 전달하는 복수개의 압력감지수단과;
    상기 각 압축기에서 토출된 수소를 다음 압축기로 보내지 않고 바로 최종 압축기의 토출측 수소 유로관으로 유도하는 바이패스유로 및;
    상기 각 바이패스유로 상에 연결되어 수소의 유동을 허용 및 차단하는 개폐밸브를 포함하여 구성된 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
  2. 압력감지수단이 각 압축기로 유입 및 토출되는 수소의 압력을 실시간으로 감지하여 콘트롤러로 전달하는 제 1단계와;
    콘트롤러에서 전달된 압력에 따라 압축비를 산출하는 제 2단계;
    산출된 압축비를 콘트롤러에 미리 입력된 설정값과 비교하여 각 압축기와 개폐밸브 또는 유로제어밸브의 작동을 제어하도록 한 제 3단계를 포함하여 구성된, 제 1항에 따른 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 3단계에서, 첫번째 압축기의 압축비가 설정값보다 작은 경우 첫번째 압축기를 제외한 나머지 압축기의 운전은 정지시킴과 동시에 개폐밸브를 개방 작동하여 바이패스유로를 통해 수소를 유동시키고, 첫번째 압축기의 압축비가 설정값보다 큰 경우 모든 압축기를 운전시키고 각 개폐밸브는 폐쇄작동되도록 한 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 제 3단계에서, 각 압축기 중 어느 하나의 압축비가 설정값보다 클 경우 유로제어밸브가 변환 작동하여 수소의 압송방향이 전환되도록 한 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 제어방법.
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