KR20080056227A - 상변화물질 열 교환기 - Google Patents

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KR20080056227A
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KR1020087009387A
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카리 모일랄라
미카엘 가씩
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엠지 이노베이션스 코퍼레이션
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Abstract

본 발명은 축열식의 향류 원리로 작동하는 열 교환기 셀(1a, 1b), 열 교환기 셀 내에 제공된 상변화물질(PCM)의 어큐뮬레이터(2, 3) 및 보텍스 튜브(6, 7, 8)를 포함하고 있는 상변화물질 열 교환기에 관한 것이다. 공기, 기체 및 액체의 흐름 방향이 장치 내에서 주기적으로 반전될 때, 에너지는 열 교환기 셀과 PCM 어큐뮬레이터 내에 회수되고, 다음의 사이클 동안, 에너지는 열 교환기 셀과 PCM 어큐뮬레이터로부터 방출된다. 하나의 열 교환기 셀과 PCM 어큐뮬레이터에서 에너지가 충전되는 한편, 동시에 다른 열 교환기 셀과 PCM 어큐뮬레이터에서 에너지가 방출된다. 필요한 온도차를 크게 하거나 생성하기 위해 보텍스 튜브로부터의 저온/고온 유체 흐름이 사용된다. 본 발명은 빌딩, 차량, 실내온도 제어실, 컴퓨터와 같은 단일 또는 복합의 장치, 극저온 방법과 같은 여러 프로세스, 우주항공 기술 및 초임계 이산화탄소 적용장치에 적용될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
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보텍스 튜브, 유체 밀폐 챔버, 상변화물질, 어큐뮬레이터, 열 교환기 장치

Description

상변화물질 열 교환기{PHASE CHANGE MATERIAL HEAT EXCHANGER}
본 발명은 향류 원리로 작동하는 축열식 열 교환기를 포함하는 열 교환기에 관한 것이고, 또한 이 열 교환기는 열 교환기에서의 상변화물질(PCM;잠열재)의 엔탈피 어큐물레이터 및/또는 벤투리 현상을 이용한 보텍스 튜브로 이루어져 있다. 이 시스템은 여름에는 신선한 환기 공기의 선냉각 및 선제습을 공급하고, 겨울에는 신선한 환기 공기의 선가열 및 선가습을 제공한다. 이 시스템은 환기장치 없이도 사용될 수 있다. 본 발명은 빌딩 외에, 차량, 산업 및 상업 설비실은 물론, 예를 들면 컴퓨터 및 전기통신 설비와 같은 장치 및 프로세스를 냉각하기 위해 기후 조건이 제어되어야 하는 임의의 폐쇄 격실에 사용될 수 있다. 이 열 교환기는 공기 또는 가스 냉각 이외에, 액체 내에서의 열 전달의 향상에 적용될 수 있다.
전세계에 걸쳐, 차가운 대상 쪽으로 이동하는 열 에너지의 고유 성질에 대항하여 냉방을 하는데에 매우 많은 에너지가 사용되고 있다. 기온이 올라감에 따라, 냉각 및 제습에 더 많은 에너지가 필요할 것이다. 종래의 압축기를 이용한 냉각은 전력 소모가 매우 크고 에너지 수요가 매우 큰 방법이다. 그 중에서도 흡수 냉각은 폐열을 유효하게 이용한다. 제베크(Seebeck) 현상에 기초한 열전 유닛(thermoelectric unit)은 열을 전기로 변환하지만, 높은 생산 비용이 요구되어 서, 많은 에너지량을 필요로 하는 대상에 대해서는 부적절한 것으로 되고 있다.
빌딩, 차량 및 산업 프로세스 외에도, 온도 제어는 컴퓨터와 같은 발열 장치에도 필요하다.
환기는 중요하지만, 많은 경우에 있어서는 예를 들면 도로 높이에 있는 상점에서와 같이 오염된 공기가 있는 장소에서는 환기를 이용하는 것이 불가능하다. 컴퓨터의 냉각과 같은 여러 적용용처에서는, 환기는 불필요하다.
본래 알려져 있는 PCM 축열기에서, 물질의 상변화는 일반적으로 고체 상태와 액체 상태의 사이에서 일어난다. 이러한 축열은 보통 0~100℃의 온도 범위에서 지속되고, 따라서 가열기 및 냉각기에 접속될 때의 단기 에너지 저장에 적절하다. 전형적인 매질은 물/얼음, 염수, 무기염 수화물, 포화 탄화수소 및 고 분자량 지방산을 포함하고 있다. PCM 축열 유닛은, 예를 들면 물 전용 축열 유닛에 비하여 작은 사이즈의 이점을 가지고 있고, 움직이는 부품을 전혀 가지고 있지 않다. PCM 재료는 의복에 사용되는 옷감을 따뜻하게 하고 차게하는 데에 최근에 이용되고 있다. PCM 축열의 한 결점은 그것의 낮은 열 전도성에 의해 야기된다. 또한 PCM 축열기에는 플레이트 형태가 주어질 수 있다. 최초의 열 방출이 이루어지지 않았다면 더 이상의 열이 축적되지않기 때문에, PCM 축열기로부터의 열 방출은 주요한 문제가 된다. 따라서 PCM 작동은 주기적인 축열과 방열을 기초로 한다. PCM 재료의 한 이점은 작은 온도차를 이용하여 작동한다는 것이다. 환기되는 실외공기와 실내공기의 온도가 동일한 경우, 상변화는 물론 일어나지않는다.
빌딩에서의 냉각 수요는 세 가지 구성요소인 실외공기, 실내공기 및 환기에 의해 야기되는 열 부하에 좌우한다. 향류 원리(counter-current principle)로 작동하는 열 회수는 병류 원리(forward-current principle)로 작동하는 시스템보다 높은 효율을 산출하는 것이 알려져 있다(예를 들면 7,059,385호를 참조). 축열식 시스템에서, 열은 열 회수 셀(cell)에 유효하게 축적된다.
복열식 교차류(cross-current) 플레이트 열 교환기에서는, 공기 흐름들이 반전되지 않고, 따라서 공기 흐름은 PCM 축열기 또는 축열식 회전 열 회수 셀과 최적으로 상호작용할 수 없다.
향류 원리로 작동하는 고정형 재생 축열식 셀 시스템은 간단하고 유효하다. 이 셀 시스템은 알루미늄 또는 구리와 같이 열 저장성(열 용량)이 높은 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 효율이 낮고 그 구조가 아주 복잡하며 비용이 많이 들기는 하지만, 두 개의 (공기)향류 사이에서 교호로 회전하여 두 개의 열 교환 셀을 대체하는 하나의 로터리 타입 재생 열 교환기가 또한 사용될 수 있다.
본래 알려져 있는 보텍스 튜브 또는 유사 장치는 벤투리 현상을 이용하고 있다. 위키피디아 http://en.wikipedia.org/wiki/Vortex_tube를 참조할 수 있다. 이 보텍스 튜브는 하나의 입구 및 이 입구에 대해 직각으로 배열된 튜브의 양단부에서 제1 출구와 제2 출구를 가지고 있다. 공기와 같은 압축가능한 유체가 입구에 들어가고 가열된 공기가 제1 출구를 빠져나가는 동시에 냉각된 공기가 제2 출구를 빠져나간다. 보텍스 튜브는 움직이는 부품을 전혀 가지고 있지 않다. 예를 들면, 21℃의 공기가 입구에 들어가는 경우, 76℃의 공기가 제1 출구를 빠져나갈 수 있고 -34℃의 공기가 제2 출구를 빠져나갈 수 있다.
보텍스 튜브 대신에, 압축기와 같은 종래 기술이 온도 차를 생성하는 데에 사용될 수 있지만, 그 효율은 낮다. 보텍스 튜브가 단독으로 사용되는 경우에, 열 용량은 큰 공간을 가열/냉각하는 데에 대체로 비경제적이다.
독일 특허 3825155호, 미국 특허 4407134호 및 미국 공개 출원 US2002073848호에서, 한 측에서 냉기류를 생산하고 다른 한 측에서 열기류를 생산하는 데에 사용되는 별도의 장치로서 보텍스 튜브가 언급되어있다. 이 튜브는 그것의 연속 작동 원리가 본 발명에서와 같이, 보텍스 튜브가 주기적으로 작동하는 장치와 연결되는 것을 허용하지않기 때문에, PCM이 있거나 혹은 있지않은 어떠한 열 교환기에도 연결되지 않는다. 유럽 특허 1455157호에서, PCM은 축열 수단으로서만 언급되어있을 뿐, 본 발명과 달리 외부의 보텍스 튜브에 연결되지않는다.
본 발명은 대부분의 상황에서 사용될 수 있는 축열식 열 교환기로서, 외부의 유체가 이용될 수 없는 경우에서도 사용될 수 있고, 특히 나가고 들어오는 유체 간의 온도차가 PCM의 상변화 효과를 보장하기에 충분하지않는 경우에서도 사용될 수 있는 축열식 열 교환기를 생성하는 목적을 가지고 있다.
본 발명은 공기, 다른 기체 및 액체 사이의 열 전달에 적용될 수 있다.
잠열은 얼음에서 물로 그리고 물에서 수증기로와 같이, 한 물리 상태에서 다른 물리 상태로 물질이 변화하는데에 필요한 에너지이기 때문에, 온도가 증가할 때는 관찰되지 않는다. 이러한 물리 상태의 변화는 흡열성(endothermic), 즉 열 에너지를 가둘(흡수할) 수 있거나, 발열성(exothermic), 즉 열 에너지를 방출할 수 있다. 따라서, 예를 들면 증기가 물의 액체 형태로 재응축될 때, 물 기화에 요구되었던 에너지가 방출된다.
본 발명에 따라, PCM 어큐뮬레이터가 하나 이상의 열 회수 셀에 부가되고, 공기 흐름 방향이 반전될 때, 어큐뮬레이터에 축적된 열이 방출된다. 각각의 어큐뮬레이터와 열 회수 물질은 열 전달이 가능한 한 효율적으로 일어날 수 있도록 결합한다. 이는 습기의 응축과 기화로 인해 공기와 기체의 취급에 관하여 중요하다. 열 회수 물질을 사용하는 것은 액체 취급에 관해서는 그렇게 중요치 않음을 알아야 한다. 본 발명의 장치는 두 개의 엔탈피 회수 셀을 포함하고 있고, 이 두 개의 엔탈피 회수 셀 내에서 유체 흐름 방향이 교호로 반전된다. 장치의 제1 단부에 보텍스 튜브가 위치될 수 있고, 이 보텍스 튜브로부터 고온/저온 유체가 제1 출구로부터 챔버를 통하여 PCM으로 안내된다. 동시에 보텍스 튜브로부터의 제2 흐름이 제2 출구로부터 제2의 PCM(만일 존재할 경우)으로 또는 외부공간으로 안내된다.
본 발명에 따라, 열 교환기에 있어서, PCM의 최초 상변화는 보텍스 튜브를 빠져나가는 공기의 온도에 의해 신속하게 일어난다. 상변화가 일어날 때는, 보텍스 튜브는 작동을 멈추고, 예를 들면, 상변화는 온도에 의해 조정될 수 있고, 보텍스 튜브의 작동은 더 이상 필요가 없다. 보텍스 튜브의 열기 및 냉기 흐름을 이용하는 많은 방식이 있다. 즉 가열된 공기 또는 냉각된 공기는 장치의 출구 또는 입구로 안내될 수 있다. 어느 방식을 사용하느냐는 경제적인 측면에 따라 좌우된다. 보텍스 튜브로부터의 제2 출구의 흐름이 셀로 안내될 수도 있다. 그렇지 않은 경우, 이 흐름은 외부 공간으로 안내되거나, 또는 물과 같은 어떤 다른 것을 가열하거나 냉각하기 위해 안내된다. 제1 출구로부터의 흐름은 PCM이 위치되어있는, 장치의 열 교환기로 안내된다. 제2 사이클 동안 제1 흐름의 차갑거나 따뜻한 유체는 다른 열 교환기/PCM을 통해 안내될 수 있다. 열 교환기/PCM을 통해 안내되지않는 유체 흐름은 외부 공간으로 안내될 수 있다. 그러면 그 주위의 공기가 뜨거워지거나 차가워진다. 따라서 보텍스 튜브에 의해 열적 차이가 신속하고 효율적으로 생성된다.
PCM 어큐뮬레이터의 물질은 일정한 온도 범위에서 이용할 수 있다. 공기조화 유닛이 춥고 따뜻한 실외의 상황에서 사용될 수 있다. 그러므로 여러 가지의 PCM 어큐뮬레이터의 물질이 요구된다. 또한, 예를 들면, 배출 공기를 이용하는 열 펌프는 추운 상황에서 유효하게 작동하지 않는다. 예열기/예냉기로서 전술된 보텍스 튜브를 사용하면, 보텍스 튜브가 PCM 어큐뮬레이터의 물질로 들어가는 유체의 온도를 아주 안정적이고 최적으로 만들기 때문에, 단지 소수의 PCM 어큐뮬레이터의 물질을 필요로 한다.
보텍스 튜브는 예를 들면 장치의 양단부 또는 열 교환기들과 PCM들 사이의 중앙에 위치될 수 있다. 상변화 열 교환기 장치는 청구항 1에 정확히 기재되어있다.
본 발명에 따라, 보텍스 튜브는 실내 공기와 실외 공기의 온도차가 PCM의 상변화를 일으키기에 충분하지않는 경우에 환기장치와 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 시스템은 평균 성능계수(coefficient of performance;COP)가 2.7인 종래 냉각 장치의 효율보다 높은, COP가 9.0에 이르는 효율을 가지고 있다. 본 발명의 계절 에너지 효율비(Seasonal energy efficiency ratio;SEER)는 겨울의 부동성 및 여름의 무부하 기화로 인하여 상대적으로 보다 더 균일하다. 본 발명은 겨울과 여름 모두에서 전력의 피크 부하를 현저히 감소시킨다. 이는 예를 들면 중국과 같이, 자주 전력이 부족하게 되는 국가에서는 매우 중요한 문제이다.
본 발명의 장치는 저렴하고, 비교적 소음이 적고, 가벼우며, 수리하기 편리하고, 해로운 재질을 포함하고 있지 않다.
본 발명에 따라, 장치는 작동하는 오직 세 개의 팬, 즉 공기/유체를 환기시키거나 재순환하기 위한 두 개의 팬(유체 흐름의 균형을 맞추고 압력의 급강하를 막기 위해 거의 동일한 용량의 두 개의 팬/펌프가 필요하다)과 보텍스 튜브를 위한 하나의 팬을 필요로 한다. 에너지의 사용량이 매우 낮으므로 전기 접속의 전력 필요량 또한 낮다. 이는 예를 들면 전기통신 기지국뿐만 아니라 운송 컨테이너의 태양열 집열판과 같은 저 전력원을 사용할 수 있게 한다.
자동차의 압축기 구동형 냉각기는 압축기를 사용할 때에 엔진이 작동되고 있는 것이 필요하다. 그러면 자동차가 이동하고 있지 않을 경우에도 공기가 오염된다. 본 발명에 따라, 엔진이 꺼져있는 경우에는, 낮은 전력을 소모하여 차내의 공기를 냉각할 수 있다. 잠수함 또는 클린룸(clean room)과 같이 격리된 폐쇄 환경에서는, 실외공기 공급을 이용할 수 없을 때, 기본 필수요건으로 저소음 레벨이 부가된다. 이 저소음 레벨은 본 발명에 의해 성취될 수 있다.
종래의 환기장치에서, 열 회수 장치와 냉각기는 긴 투자 회수 시간을 가지고 있다. 이러한 초기 비용의 문제 외에, 실외 공기를 이용하는 전통적인 열 펌프와 열 회수 환기장치는 섭씨 0도 이하의 온도에서 부가의 외부 에너지 없이 작동할 수 없다. 실외 공기가 실내 공기보다 따뜻할 때도, 실내 공기 열 펌프가 소용이 없다. 따라서, 이러한 장치는 일년당 매우 짧은 작동 기간(일 년 전체에 걸쳐서가 아니라 겨울이나 여름)을 가질 것이다. 공기 건조기 또는 가습기와 함께 두 개의 시스템을 같이 사용하는 것이 필요하다면, 그 비용은 훨씬 높을 것이다. 본 발명의 환기 장치는 미국의 핫 존(hot zone)과 그 평균 전기 요금제(electricity tariff)에 의해 산출된 바에 의하면 일 년 이하의 투자 회수 시간을 가질 수 있다. 본 발명의 장치가 겨울과 여름 모두에서 작동하므로, 매년 긴 사용 기간 즉 사실상 연중 내내 사용할 수 있으므로, 계절 성능 계수(seasonal performance factor;SPF)가 우수하다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예시로 이하에 설명될 것이다.
도 1은 유체 흐름을 도시한 본 발명의 PCM 열 교환기 장치의 개략도, 및
도 2는 본 발명에 따른 여러 작동 온도들을 위한 상변화물질과 열 교환기 및 유체 흐름을 예시한 보텍스 튜브의 개략도.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 PCM 열 교환기 장치는 축열식의 향류 원리로 작동하는 2개 이상의 축열식 열 교환 셀(1a 및 1b)을 포함하고 있고, 이 셀을 통하는 공기, 기체 또는 액체의 흐름들은 교호로 주기적으로 반전되는 반대의 흐름 방향으로 열 교환기 장치에 들어오고 열 교환기 장치로부터 나가도 록 방향설정된다. 공기 흐름이 화살표(22 및 24)로 도시되어있다. 실선 화살표(22)는 한 사이클의 공기 흐름을 나타내는 한편, 파선 화살표(24)는 제2의 사이클 동안의 공기 흐름을 나타내고 있다. 셀(1a 및 1b)에서의 공기 흐름 방향의 변경은 주지의 기술, 예를 들면 디버터, 팬, 리플렉터, 플랩, 또는 로터리 휠 디버터에 의해 실행될 수 있다. 이러한 셀(1a 및 1b)에서의 공기 흐름 방향을 변경하기 위한 주지 기술이 아이템(26a 및 26b)으로 개략적으로 도시되어있다.
선택적으로, 2개의 셀의 공기 흐름에 수정이 이루어질 때, 단일의 로터리 타입 축열식 열 교환기가 사용될 수 있지만, 그 효율은 2개의 열 교환기만큼 우수하지 않다.
열 교환기(셀)(1a 및 1b)은 서로 나란히, 즉 서로 근접하여 놓여있고, 유체 흐름들의 혼합 및 과도한 열의 전도를 방지하도록 분리되어있다. 상변화물질로 만들어졌거나 상변화물질을 일부 포함하는 하나 이상의 셀, 즉 PCM 어큐뮬레이터(2, 3)가 열 교환기(1a 및 1b)에 장착되어있다. 고온의 유체가 셀 중 하나(예를 들면, 1a)에 들어갈 때, 고온 유체는 그 에너지(엔탈피)를 이 열 교환기 셀(1a)로 전달하고 PCM 어큐뮬레이터(2)의 재료의 상태를 변경시킬 수 있다. 이는 흐르고 있는 유체의 온도 변화를 수반한다. 열 교환기는 알루미늄 또는 구리와 같이, 열 전도성이 높은 재료, 바람직하게는 또한 높은 열 용량을 가지는 재료로 만들어질 수 있다. 열 교환기(1a, 1b)는 장치의 중앙에 놓일 수 있다. 열 교환기(1a, 1b)는 벽(30)과 예시된 공기 흐름을 위한 개구가 있는 셀의 양단부에서의 벽(31 및 32)에 의해 서로로부터 또한 장치로부터 격리되어있다. PCM 어큐뮬레이터(2, 3)는 이동 하는 유체의 충분한 난류를 발생시키도록 설계될 수 있다. 들어가는 유체로부터 충분한 열이 축적되었을 때, 즉 PCM 어큐뮬레이터(2, 3)의 상(phase)이 변하였을 때, 차가운 유체가 따뜻한 셀(1a, 1b)을 통과하면서 가열되고 또한 따뜻한 유체가 차가운 셀을 통과하면서 냉각되도록 유체 흐름의 방향이 반전된다. 이전 사이클에서 상변화 효과로 인하여 열이 축적된 경우, 열은 또한 PCM 어큐뮬레이터(2 또는 3)로부터 유체 흐름 내로 방출된다.
주기적인 작동은 무엇보다도 온도에 관하여 최적화될 수 있다. 공기 흐름의 경우에는, 이러한 사이클 동안 공기에 포함된 수증기는 대응하는 셀의 표면 상에서 응축되고, 그 다음의 사이클 동안, 이 응축된 물은 기화로 인해 공기 내로 되돌아간다. 기화에 필요한 에너지가 셀과 PCM 어큐뮬레이터(2 또는 3)로부터 공급되어, 그에 따라 공기가 냉각되고, PCM 어큐뮬레이터(2 또는 3)의 상이, 예를 들면 액체에서 고체로 변화한다. 다음의 사이클 동안, 고온 공기는 저온의 셀과 PCM 어큐뮬레이터(2 또는 3)에 도달할 때 냉각되고, 그 사이클의 끝 시점에서, 저온 셀은 가열되고 PCM 어큐뮬레이터(2 또는 3)의 상이 이제는 고체에서 액체로 다시 한번 변화하여, 공기 흐름 방향이 한번 더 반전되는 것을 야기한다. 따라서, 다수의 PCM 어큐뮬레이터(2, 3)가, 예를 들면 한 어큐뮬레이터가 정지하였을 때 다른 어큐뮬레이터가 작동을 시작하는 상태 또는 하나가 따뜻한 상태에서 작동하는 반면 다른 하나가 차가운 상태에서 작동하는 상태로, 다른 온도 범위에서 제공될 수 있다. PCM 어큐뮬레이터(2, 3)가 열 교환기 셀 중 단 하나에만 제공될 수도 있지만, 열 교환기 셀(1a 및 1b)의 둘 다에 하나 이상의 PCM 어큐뮬레이터(2, 3)가 있어서, 하나의 어큐뮬레이터에서 연속으로 열이 축적되는 동안 다른 어큐뮬레이터에서 열이 방출되는 것으로 보다 높은 효율이 달성된다. 열은 물 가열과 같은 다른 목적에 열을 이용하게 하는 부가의 액체 순환 시스템(제2 회로)을 사용하여 PCM 어큐뮬레이터(2, 3) 내에 축적되거나 PCM 어큐뮬레이터로부터 방출될 수 있다. 본 발명은 빌딩과 차량에 적절하지만, 또한 컴퓨터, 전기 전자기기 등과 같은 산업 프로세스 및 장치에서의 열 관리에도 적절하다.
PCM 어큐뮬레이터는 잠열을 이용한다. 다른 한편으로는 상변화는 많은 에너지를 필요로 한다. 이러한 온도차/열은 중공 튜브를 포함하는 보텍스 튜브(6~8)에 의해 생성되거나 높아진다. 보텍스 튜브는 유체 밀폐 챔버(4) 내, 또는 셀들(1a 및 1b) 사이의 영역(챔버)(4') 내에 위치될 수 있다. 보텍스 튜브(6~8)의 입구(40) 내로 압축 공기가 접선방향으로 안내된다. 따뜻한 공기가 제1 출구(42)로부터 빠져나가는 한편 차가운 공기가 제2 출구(44)로부터 빠져나간다. 유체 흐름이 셀(1a 및 1b) 및 해당 PCM 어큐뮬레이터(2, 3)를 가열 또는 냉각한다. 프로세스에서 사용되지 않는 보텍스 튜브(6~8)로부터의 흐름은 외부 공간(50)으로 안내될 수 있거나, 또는 예를 들면 물을 냉각하거나 가열하도록 사용될 수 있다. 또한 이러한 보텍스 튜브(6~8)로부터의 다른 흐름은 프로세스에서 사용될 수 있다. 보통은 단 하나의 보텍스 튜브(6~8)가 한 장치에 사용된다.
예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 21℃(9)의 공기가 팬/압축기/펌프(52)(압력 6~7bar)에 의해 입구(40)에서 한 보텍스 튜브(6~8) 내로 안내된다. 유체가 보텍스 튜브의 제1 출구(42)로부터 열 교환기 셀(1b) 내로 들어갈 때에, 이 흐르는 유체의 온도는 76℃이다. PCM 어큐뮬레이터(3)는 고체 상태이다. 더운 유체가 열 교환기 셀(1b)과 PCM 어큐뮬레이터(3)를 통과할 때, PCM 어큐뮬레이터(3)의 상은 고체에서 액체로 변화한다. 유체가 열 교환기 셀(1b)로부터 흘러나갈 때, 그 유체의 온도는 32℃로 내려간다. 열 에너지 및 엔탈피가 알루미늄 또는 구리 및 PCM 어큐뮬레이터 재료(3)와 같은 열 회수 재료 내에 흡수된다. 다른 PCM 어큐뮬레이터(2)는 그 온도에 반응하지 않는데, 다른 범위의 온도에서 작동하기 때문이다. 보텍스 튜브의 제2 출구(44)로부터 흐르는 유체의 온도는 -34℃(10)이다. 그 배열구성은 PCM 어큐뮬레이터 재료(2)의 상이 냉각 유체(10)로 인하여 액체에서 고체로 변화하는 것을 제외하고는, 상술한 반대측의 보텍스 튜브와 동일하다. 프로세스 동안 유체의 온도는 -34℃에서 +10℃로 증가한다. PCM 어큐뮬레이터(2)는 이전 사이클 동안 축적되었던 열 에너지를 방출한다. 이 온도는 다른 PCM 어큐뮬레이터(3)의 상변화에 적절하지 않으므로 다른 PCM 어큐뮬레이터(3)는 반응하지 않는다.
본 발명은 주기적으로 프로세스를 반전하는 재료(PCM)의 상변화, 예를 들면 고체와 액체 간의 상변화-융해 잠열을 이용한다.
재료의 상변화를 위해 사용되는 에너지는 잠열이라 불린다. 본 발명은 동시에 두 개의 상변화, 예를 들면 보텍스 튜브(6~8)의 제1 출구(42)에서 고체로부터 액체(2)로의 상변화와 동시에 보텍스 튜브(6~8)의 제2 출구(44)에서 액체로부터 고체(3)로의 상변화를 일으키도록 열을 사용(흡수)한다. 또한, 본 발명은 열 교환기(1a 및 1b)의 표면상에서의 응축과 증발 시의 수분의 상변화를 이용한다. 이에 근거하여 본 발명의 효율은 매우 높다.
이러한 상변화가 일어났을 때, 열 교환기(1)를 통하는 유체 흐름이 반전된다. 또한 보텍스 튜브(6~8)의 흐름(10, 12)이 변경되어야만 한다. 이 흐름의 변경은, 예를 들면 밸브, 파이프 또는 플레이트에 의해 유동하는 액체를 열 교환기(1) 내로 안내하거나(파선으로 된 화살표(56)을 참조), 주기적으로 사용되는 몇 개의 다른 보텍스 튜브(7, 8)를 사용하여(제1 보텍스 튜브 작동, 다른 보텍스 튜브 비작동, 또는 그 반대) 유동하는 액체를 열 교환기(1) 내로 안내하거나, 예를 들면 180도로 증분식으로 회전될 수 있는 단일의 보텍스 튜브(7)를 사용함으로써 유동 유체를 열 교환기(1) 내로 안내하도록 하여 구성될 수 있다.
반전된 프로세스는 이전에 흡수되었던 에너지량과 동일한 에너지량을 방출한다.
물질의 상변화(잠열)는 가열 또는 냉각보다 더 상당히 큰 에너지를 필요로 하므로, 본 발명의 목적은 상변화 점/온도에 가능한 한 가깝게 하여 작동하도록 하는 것이다. 즉, 본 발명은 특정 기간에 PCM 어큐뮬레이터(2, 3)가 가능한 한 많이 상변화하도록 하는 것이다.
실내 및 실외 공기/기체/유체의 온도차가 물질의 상변화를 이용할 수 있게 하기에 충분하다면, 보텍스 튜브(6~8)는 작동하지 않을 수 있다.
한편, 실외 및 실내 공기의 온도차가 상변화를 일으키기에 충분하지 않거나, 그 온도차를 이용하는 것을 의도하지 않았을 때, 보텍스 튜브(6~8)가 본 발명을 유효하게 만든다. 본 발명을 통해 유체가 공간 내에서 재순환하는 경우에는, 이 유 체는 그 공간에서 난방/냉방을 한다. 공기에 관해서는, 환기의 역할은 하지않으며 본 발명은 단지 가열기/냉각기의 기능만 할 뿐이다.
본 발명의 기본적인 신규의 특성이 본 발명의 바람직한 실시예로서 적용되어 설명되었지만, 당업자에 의해 본 발명의 기술사상으로부터 벗어남 없이, 설명된 방법과 장치의 상세항목 및 형태에서 생략, 대용 및 변경이 있을 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들면, 동일한 성과를 얻는 실질적으로 동일한 방식으로 동일한 기능을 실질적으로 수행하는 발명의 구성요소 및/또는 방법 단계의 모든 조합이 본 발명의 범위 내에 있음은 명백하다. 더욱이, 개시된 본 발명의 형태 즉 실시예와 관련하여 도시되거나 설명된 구조, 구성요소 또는 방법 단계들은 설계 대안의 다른 형태에 편입될 수 있음은 자명하다. 그러므로, 본 발명은 오직 첨부된 청구항의 기술사상에 의해서만 한정됨을 의미한다.

Claims (13)

  1. 상변화물질 열 교환기 장치에 있어서,
    제1 및 제2 열 교환기 셀(1a 및 1b)로서, 각각의 셀이 유체가 통과하도록 치수가 결정되어있고, 유체 흐름 방향이 서로 반대인 상태를 유지하면서 유체 흐름 방향이 각 셀의 내부에서 교호로 반전하게 되어있고, 상기 제1 및 제2 열 교환기 셀 중 하나 이상이 상변화물질(PCM) 어큐뮬레이터(2, 3)를 포함하도록 되어있는 제1 열 교환기 셀(1a) 및 제2 열 교환기 셀(1b),
    입구(40), 제1 출구(42) 및 제2 출구(44)를 가지는 보텍스 튜브(6, 7, 8), 및
    내부에 보텍스 튜브(6, 7, 8)가 위치되어있는 유체 밀폐 챔버(4, 4')를 포함하고 있고,
    보텍스 튜브(6, 7, 8)의 출구들(42, 44)로부터의 양쪽 2개의 유체 흐름은 상기 제1 및 제2 열 교환기 셀(1a, 1b) 및 상기 제1 및 제2 열 교환기 셀(1a, 1b) 내에 위치된 상변화물질 어큐뮬레이터(2, 3)를 통해 공간 또는 외부공간으로 안내되는 것을 특징으로 하는 상변화물질 열 교환기 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 열 교환기 장치로부터 나가고 들어오는 유체 흐름 간의 온도 차가 상변화물질 어큐뮬레이터(2, 3)를 동작시키는데에 충분할 때에는, 보텍스 튜브(6, 7, 8)의 작동이 정지되는 것을 특징으로 하는 상변화물질 열 교환기 장 치.
  3. 제 1 항에 있어서, 주기적으로 작동하는 다수의 상변화물질 어큐뮬레이터(2, 3)가 각각의 셀 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 상변화물질 열 교환기 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 열 교환기 셀(1a, 1b)이 상변화물질 어큐뮬레이터(2, 3)를 포함할 때, 열 교환기 장치가 가장 효율적인 것을 특징으로 하는 상변화물질 열 교환기 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 어큐뮬레이터(2, 3)의 적어도 일부는 상이한 작동 온도 범위들을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 상변화물질 열 교환기 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상변화물질 열 교환기 셀(1a, 1b)은 빌딩, 차량, 잠수함, 항공기, 운송 컨테이너, 컴퓨터, 극저온용 장치, 우주공학 및 초임계 이산화탄소 적용장치 중 하나에 사용되도록 치수가 결정되는 것을 특징으로 하는 상변화물질 열 교환기 장치.
  7. 입구, 제1 출구 및 제2 출구를 가지는 하나 이상의 보텍스 튜브(6, 7, 8)를 포함하고 있고, 상기 보텍스 튜브의 제1 출구로부터의 제1 유체 흐름이 장치의 외부로부터 상변화물질 어큐뮬레이터를 지나도록 안내되는 동시에 상기 보텍스 튜브 의 제2 출구로부터의 유체 흐름이 다른 열 교환기 셀에 대하여 반대 방향으로 안내되도록, 상기 보텍스 튜브가 유체 밀폐 챔버 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 보텍스 튜브의 제2 출구로부터의 유체 흐름은 장치의 외부로 안내되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 제2 열 교환기 셀 내에 위치되는 하나 이상의 제2 상변화물질 어큐뮬레이터를 더 포함하고 있고, 보텍스 튜브의 제1 출구로부터의 제1 유체 흐름은 제1 열 교환기 셀 내 상변화물질 어큐뮬레이터로 그리고 그 다음에 제2 열 교환기 셀 내 상변화물질 어큐뮬레이터로 교호로 안내되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 보텍스 튜브의 제1 출구의 교호의 유체 흐름은 보텍스 튜브의 제1 출구와 결합되는 파이프 또는 플레이트에 의해 제1 및 제2 열 교환기 셀 내의 상변화물질 어큐뮬레이터에 대하여 교호로 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 보텍스 튜브의 제1 출구의 교호 출력은 보텍스 튜브를 교호로 180도 회전시킴으로써 제1 및 제2 열 교환기 셀 내의 상변화물질 어큐뮬레이 터에 대하여 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 제2 보텍스 튜브를 더 포함하고 있고, 제2 보텍스 튜브의 제1 출구로부터의 제1 유체 흐름이 제2 열 교환기 셀과 결합되는 상변화물질 어큐뮬레이터를 지나게 안내되도록 상기 제2 보텍스 튜브가 유체 기밀 챔버 내에 위치되고, 주어진 시간에 단 하나의 보텍스 튜브의 유체 흐름이 그 제1 출구로부터 흐르도록 제1 보텍스 튜브와 제2 보텍스 튜브는 주기적으로 작동되고 정지되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 7 항에 있어서, 단일의 로터리 타입 축열식 열 교환기 셀이 제1 및 제2 열 교환기 셀의 대용으로 사용되고, 이 로터리 타입 축열식 열 교환기 셀은, 유체 흐름이 교호로 반전하지않도록, 그리고 축열식 열 교환기 셀이 회전하고 있을 때 보텍스 튜브의 제1 출구로부터의 제1 유체 흐름이 상변화물질 어큐뮬레이터를 통과하도록, 고온 유체 흐름과 저온 유체 흐름 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
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