KR20040051003A - 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치에 관한 것으로, 압축기에서 수소 냉매와 오일의 혼합유체로부터 오일을 효과적으로 분리하여 수소 냉매만을 토출시킴으로써 오일이 수소 저장합금이 내장된 반응기 내로 유입되는 것을 방지할 수 있도록 한 것이다.

이를 위해 본 발명은 한 형태에 의하면, 내부에 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와, 외부의 공기를 강제 흡입하여 실내 및 실외로 강제 송풍시키는 송풍팬과, 수소가 유동하는 수소 유로관과, 상기 수소를 소정압으로 압축하여 토출하는 압축기와, 상기 압축기로부터 토출된 수소의 압송 방향을 제어하는 유로제어밸브를 포함하여 구성된 냉난방장치에 있어서, 상기 압축기 내부에는 고압으로 압축된 수소 냉매와 오일의 혼합유체의 압력맥동을 감소시킴과 더불어 상기 혼합유체로부터 오일을 분리하여 토출시키는 토출머플러가 설치되고, 상기 토출머플러의 일측에는 토출머플러 내에서 분리된 오일을 압축기 하부의 오일저장부로 회수하는 오일회수관이 연결된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 제공한다.

Description

수소 저장합금을 이용한 냉난방장치{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, 가열시키는 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 제공하고자 한 것이다.

특히, 본 발명은 압축기에서 수소 냉매를 토출시 압축기 내의 오일이 수소냉매와 함께 토출되지 않도록 함으로써 수소 저장합금이 내장된 반응기 내로 오일이 유입되는 것을 방지할 수 있도록 한 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 냉난방장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도

도 2는 도 1의 냉난방장치의 압축기의 일부분을 절개하여 나타낸 부분 단면도

도 3은 도 2의 압축기의 토출머플러 구성을 나타낸 요부 단면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 15 : 제 1,2반응기 20 : 수소 유로관

30, 35 : 송풍팬 40 : 압축기

50 : 유로제어밸브 51 : 연결관로

45 : 토출머플러 46 : 오일회수관

451 : 하우징 452 : 유입구

453 : 토출구 454 : 그물망

455 : 플로터 456 : 개폐부재

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 의하면, 내부에 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와, 외부의 공기를 강제 흡입하여 실내 및 실외로 강제 송풍시키는 송풍팬과, 상기 각 반응기와 연결되고 수소가 유동하는 수소 유로관과, 상기 수소 유로관에 연결되어 수소를 소정압으로 압축하여 토출하는 압축기와, 상기 수소 유로관에 설치되어 상기 압축기로부터 토출된 수소의 압송 방향을 제어하는 유로제어밸브를 포함하여 구성된 냉난방장치에 있어서, 상기 압축기 내부에는 고압으로 압축된 수소 냉매와 오일의 혼합유체의 압력맥동을 감소시킴과 더불어 상기 혼합유체로부터 오일을 분리하여 토출시키는 토출머플러가 설치되고, 상기 토출머플러의 일측에는 토출머플러 내에서 분리된 오일을 압축기 하부의 오일저장부로 회수하는 오일회수관이 연결된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치용 오일분리기의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

먼저, 도 1은 본 발명의 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치 구성을 나타낸것으로, 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.

상기 각 반응기(10, 15)는 도면에 도시하지는 않았으나 수소 저장합금이 충전된 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.

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 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.

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, 상기 압축기(40) 내에는 소정량의 오일이 구비되고, 이 오일은 습동부의 윤활작용, 실린더와 피스톤 사이와 같은 압축실의 고압부에서 저압부로의 누설을 방지하는 기밀유지작용, 전체 기구부를 냉각하는 냉각작용 등을 하게 되는데, 이 압축기(40) 내의 오일이 수소 냉매와 함께 토출되어 반응기(10, 15) 내부로 유입되면 반응기의 성능에 심각한 악영향을 주게 된다.

즉, 상기 각 반응기(10, 15)들은 수소의 흡,방출에 따른 발열 및 흡열을 하는 수소 저장합금을 내장하고 있으므로 이 반응기(10, 15) 내부로 수소와 함께 오일이 섞여서 유입되면 유입된 오일이 수소 저장합금 외면에 도포되어 수소 저장합금과 수소와의 접촉성이 저하되고, 이에 따라 반응기(10, 15)의 성능이 크게 저하되는 것이다.

이에 본 발명은 상기 압축기(40)로부터 오일이 토출되지 않도록 압축기(40) 내의 토출머플러(45)에 오일분리구조를 구현함으로써 수소 냉매와 함께 오일이 토출되는 것을 방지하도록 하고 있다.

이를 구체적으로 설명하면, 도 2에 도시된 것과 같이 압축기(40) 내부에는 고압 냉매가 토출될 때 발생하는 압력맥동을 줄이기 위해 토출머플러(45)가 내설되는데, 이 토출머플러(45)의 하우징(451)에는 압축기(40)에서 고압으로 압축되어 토출되는 수소 냉매 및 오일이 유입되는 유입구(452)와 유로제어밸브(50)와 연결된 수소 유로관(20)과 연결되는 토출구(453)가 형성되어 있고, 하우징(451) 내부에는 상기 유입구(452)를 통해 유입된 고압의 수소 냉매 및 오일의 혼합유체로부터 오일만을 분리하도록 된 그물망(454)이 하우징(451) 내벽을 따라 설치되어 있다.

그리고, 상기 토출머플러(45)의 하우징(451) 하부에는 분리된 오일을 압축기(40) 하부의 오일저장부(미도시)로 회수하기 위한 오일회수관(46)이 연결되어 있으며, 하우징(451) 내부의 하부에는 축적된 오일양에 따라 상기 오일회수관(46)의 끝단부를 개폐하도록 개폐부재(456) 및 플로터(455)가 설치되는데, 여기서 상기 플로터(455)는 일단이 하우징(451) 내벽에 선회가능하게 설치되고, 상기 개폐부재(456)는 오일회수관(46) 끝단에 선회가능하게 설치됨과 더불어 플로터(455)에 연결되도록 되어, 상기 플로터(455)가 부유하게 되면 이 플로터(455)에 연결된 개폐밸브(456)가 선회하면서 오일회수관(46) 끝단이 개방되어 오일이 오일회수관(46)을 통해 회수되도록 되어 있다.

상기와 같이 구성된 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치는 다음과 같이 작동한다.

도 1에 도시된 것과 같이, 상기 유로제어밸브(50)의 연결관로(51)가 제 1반응기(10)와 연결된 포트 및 압축기(40)의 입력포트와 연결된 포트를 연결하고 있는상태일 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) 및 송풍팬(30, 35)이 구동되면, 상기 제 1반응기(10) 내의 수소는 유로제어밸브(50)의 연결관로(51)를 지나 압축기(40)로 유입된다.

상기 압축기(40) 내로 유입된 수소 냉매는 고압으로 압축된 후 오일과 함께 압축기(40) 내부의 토출머플러(45) 유입구(452)를 통해 유입되는데, 여기서 상기 토출머플러(45)로 유입된 수소 냉매와 오일의 혼합유체는 압력맥동이 감소됨과 더불어 상기 혼합유체 중 오일이 그물망(454)에 의해 분리되어 수소 가스만 토출구(453)를 통해 수소 유로관(20)으로 배출된다.

상기 토출머플러(45)에서 분리된 오일은 토출머플러(45)의 하우징(451) 하부에 축적되고, 이에 따라 플로터(455)가 점차 상승하게 되는 바, 전술한 바와 같이 축적된 오일양이 어느 수준 이상이 되면 플로터(455)에 연결된 개폐부재(456)가 오일회수관(46) 끝단부를 개방시키게 되어 오일이 오일회수관(46)을 통해 압축기(40) 하부의 오일저장부로 회수된다.

한편, 상기 압축기(40)의 토출머플러(45)를 통해 배출된 수소 냉매는 유로제어밸브(50)의 안내를 받아 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)의 작동에 의해 외부의 공기가 유입되며 제1,2반응기(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, 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 설정 시간까지 상기와 같은 과정을 연속적으로 반복 수행하며 실내를 냉방시키게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 운전하는 도중 압축기에서 오일이 제거된 수소 냉매만을 토출시키게 되므로 압축기의 오일이 수소 저장합금이 내장된 반응기 내로 유입되는 것을 방지할 수있게 되고, 이에 따라 반응기의 성능 저하를 방지하여 냉난방장치의 수명과 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 내부에 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와, 외부의 공기를 강제 흡입하여 실내 및 실외로 강제 송풍시키는 송풍팬과, 상기 각 반응기와 연결되고 수소가 유동하는 수소 유로관과, 상기 수소 유로관에 연결되어 수소를 소정압으로 압축하여 토출하는 압축기와, 상기 수소 유로관에 설치되어 상기 압축기로부터 토출된 수소의 압송 방향을 제어하는 유로제어밸브를 포함하여 구성된 냉난방장치에 있어서,

   상기 압축기 내부에는 고압으로 압축된 수소 냉매와 오일의 혼합유체의 압력맥동을 감소시킴과 더불어 상기 혼합유체로부터 오일을 분리하여 토출시키는 토출머플러가 설치되고, 상기 토출머플러의 일측에는 토출머플러 내에서 분리된 오일을 압축기 하부의 오일저장부로 회수하는 오일회수관이 연결된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 토출머플러는, 압축기 내에서 압축된 수소와 오일의 혼합유체가 유입되는 유입구 및 수소 기체가 토출되는 토출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징 내부의 내벽면을 따라 설치되어 유입된 혼합유체로부터 오일을 분리하는 오일분리용 그물망과, 상기 하우징 내에 채집된 오일량에 따라 오일회수관의 입구를 개폐하는 개폐수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 개폐수단은 토출머플러 하부에 선회가능하게 설치되며 채집된 오일에 의해 부유하도록 된 플로터와, 상기 플로터와 연동하여 오일회수관의 입구를 개폐하는 개폐부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.