KR20080092917A - 유체의 수분 함량 관리용 시스템 및 방법 - Google Patents

유체의 수분 함량 관리용 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

유체의 수분 함량 관리용 시스템과 방법은, 건조제를 이용하여 상기 유체에서 수분을 수집하기 위한 수집 챔버 및 상기 건조제에서 수분을 수집하여 제2 유체로 전달하기 위한 재생 챔버를 포함한다. 증발기는 상기 수집 챔버로 들어가는 상기 건조제를 냉각하고, 제2 증발기는 상기 제2 유체를 냉각하여 수분을 추출한다. 상기 증발기들은 냉매를 이용하고, 상기 냉매의 흐름은 유동 제어 밸브에 의하여 제어된다. 상기 제2 증발기의 내부 온도가 설정점 이하로 떨어지는 경우, 상기 제2 증발기로 흐르는 냉매의 흐름은 차단되고, 상기 제1 증발기로 흐르는 냉매의 흐름은 증가된다. 이에 의하여 상기 수집 챔버에서의 수분 수집이 증가되고, 따라서 제2 증발기의 온도가 올라간다. 그러면, 상기 밸브가 열려서 상기 제2 증발기에서의 냉각이 증가한다.
Figure P1020087016487
건조제, 가습, 제습, 열교환기, 증발기

Description

유체의 수분 함량 관리용 시스템 및 방법{System and method for managing water content in a fluid}
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2005년 12월 7일자로 출원된 미국 가출원 제60/748,123호의 이익을 주장하며, 상기 가출원의 내용을 인용한다.
본 발명은 유체의 수분 함량 관리용 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 응축 시스템은 물을 공기 또는 다른 기체상의 유체들로부터 모으는데 사용된다. 예를 들어, 응축 시스템은 유입되는 공기의 이슬점 온도와 같거나 이 보다 낮은 온도로 냉각되는 표면을 제공한다. 관련 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이, 공기를 이슬점 온도 이하로 냉각하면 공기의 수증기가 응축되어 공기의 절대 습도가 낮아진다. 일정 부피의 공기로 유입되거나 그 부피의 공기에서 수집될 수 있는 물의 양은 일정부피 공기의 습도에 의해 실질적으로 결정된다.
종래의 물 생산 및 제거 시스템들은 유입되는 공기를 이슬점 이하로 낮추어 주는 응축 시스템들을 사용하여 유입되는 공기의 흐름으로부터 물을 모은다. 따라서, 이러한 시스템들에 의해 생산되는 물의 양은 주변 공기의 습도에 따라 결정된다. 그러나 공기의 습도와 온도는 지역에 따라 다라 달라서 열대 및 아열대 지역의 공기는 온도가 높고 습하며 그 외 지역의 공기는 차갑고 덜 습하다. 또한, 공기의 온도 및 수분 함량은 연중 계절에 따른 지역의 날씨 변화에 따라 크게 변한다. 그러므로, 지역 및 계절에 따라 가습 또는 제습(dehumidification)을 통해 예를 들어 주변 환경을 안락하게 하는 것이 바람직하다.
안락함을 높이는 것 외에도, 공기내의 수분의 양을 관리하는 것은 산업적 이용에 있어서 중요할 것이다. 또한, 예를 들어 식수로 이용하거나 신선한 물이 필요한 다른 응용 분야에서 이용하기 위해 공기로부터 물을 모을 필요한 있을 것이다. 공기내의 수분의 양을 관리하는 목적과 상관없이, 종래의 물 관리 시스템의 바람직하지 않은 제한(limitations)들이 문제 되는 경우가 많다. 예를 들어, 공기의 이슬점이 낮은 경우, 특히 물의 어는점보다 낮은 경우, 종래의 시스템을 이용하여 제습하는 것이 어렵거나 불가능할 수 있다. 이러한 경우, 건조제(desiccant)를 사용하여 공기나 다른 유체 흐름으로부터 수분을 제거하는 것이 효과적일 수 있다. 건조제를 사용하는 종래의 시스템들은 시스템 효율에 역으로 영향을 줄 수 있는 환경 조건들의 변화들을-예를 들어, 유체 흐름의 온도와 습도의 변화들- 설명하지 못한다.
따라서, 이슬점이 낮은 경우에도 유체로부터 수분을 추출해 낼 수 있는 유체의 수분 함량 관리용 시스템 및 방법이 필요하다. 또한, 예를 들어 환경 조건들의 변화에도 시스템의 효율을 유지하기 위해 건조제 특성들(parameters)을 제어할 수 있는 유체의 수분 함량 관리용 시스템 및 방법이 요구된다.
본 발명 실시예들에 따르면, 유체의 이슬점이 낮은 경우에도 유체로부터 수분을 제거하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다.
또한, 본 발명 실시예들에 따르면, 건조제 수분 제거 능력을 조절하고 환경 조건들이 변화더라도 시스템 효율이 유지되도록 제어 가능한 적어도 하나의 특성을 갖는 건조제를 이용하여 유체로부터 수분을 제거하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 유체의 수분 함량 관리용 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 제1 유체의 유입과 배출을 촉진하는 유입구와 배출구를 포함하는 제1 챔버를 포함한다. 건조제는 상기 제1 챔버를 통과하는 상기 제1 유체로부터 수분을 제거하기 위하여 상기 제1 챔버로 유입될 수 있다. 제2 챔버는 상기 건조제가 상기 제1 유체로부터 수분을 제거한 후 상기 건조제의 적어도 일부를 수용하도록 구성된다. 상기 제2 챔버는 제2 유체의 유입과 배출이 촉진되도록 하는 유입구와 배출구를 포함한다. 상기 제2 챔버는 그 내부에서 상기 건조제로부터 상기 제2 유체로 수분의 증발을 촉진하여 상기 제2 유체의 수분 함량을 높인다. 시스템 열교환기는 제3 유체가 내부를 통과하도록 구성되며, 상기 제2 유체를 상기 제2 쳄버로부터 공급받아 상기 제2 유체에서 상기 제3 유체로 열전달을 촉진하도록 구성된다. 따라서, 상기 제2 유체에서 수분의 제거를 촉진시킨다. 밸브는 상기 시스템 열교환기를 통과하는 상기 제3 유체의 흐름을 변동시키도록 작동 가능하다. 상기 밸브와 연통된 센서는 상기 제2 유체의 수분 함량이 증가된 후에 상기 제2 유체의 특성을 감지하도록 구성된다. 상기 센서는 감지된 특성과 관련된 신호들을 상기 밸브로 출력하도록 구성된다. 이는 상기 측정된 특성에 기초하여 상기 시스템 열교환기를 통과하는 상기 제3 유체의 흐름이 제어되도록 한다.
상기 시스템은 상기 제3 유체를 그 내부로 통과시키고 상기 건조제가 상기 제1 쳄버로 유입되기 전에 상기 건조제를 냉각하도록 구성된 제1 열교환기를 더 포함한다. 상기 밸브를 통과하는 상기 제3 유체의 흐름이 줄어드는 경우 상기 제1 열교환기를 통과하는 상기 제3 유체의 흐름을 증가시키도록 상기 제1 열교환기와 상기 밸브가 배열된다. 이에 의하여, 상기 제1 열교환기의 냉각능력을 증대된다.
또한, 본 발명 실시예들에 따르면, 유체의 수분 함량 관리용 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 제1 유체의 유입과 배출을 촉진하기 위한 유입구와 배출구를 포함하는 제1 챔버를 포함한다. 건조제는 상기 제1 챔버를 통과하는 상기 제1 유체로부터 수분을 제거하기 위하여 상기 제1 챔버로 유입될 수 있다. 제2 챔버는 상기 건조제가 상기 제1 유체로부터 수분을 제거한 후 상기 건조제의 적어도 일부를 수용하도록 구성된다. 상기 제2 챔버는 제2 유체의 유입과 배출을 촉진하도록 하는 유입구와 배출구를 포함한다. 상기 제2 챔버는 그 내부에서 상기 건조제로부터 상기 제2 유체로 수분의 증발을 촉진하여 상기 제2 유체의 수분 함량을 높인다. 제어가능한 열교환 능력을 갖는 열교환기 배열은 상기 제2 챔버로부터 상기 제2 유체를 공급받아 상기 제2 유체의 냉각을 촉진하도록 구성된다. 이에 의하여, 상기 제2 유체에서의 수분제거가 촉진된다. 센서는 상기 제2 유체의 수분 함량이 증가된 후에 상기 제2 유체의 특성을 감지하도록 구성되고 감지된 특성과 관련된 신호들을 출력할 수 있다. 시스템 제어부는 적어도 하나의 제어부를 포함하며 상기 열교환기 배열 및 상기 센서와 연통된다. 상기 제어 시스템 상기 센서로부터 신호들을 수신하도록 구성되고 수신된 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 열교환기 배열의 열교환 능력의 제어에 영향을 주도록 구성된다.
또한, 본 발명 실시예들에 따르면, 건조제 및 시스템 열교환기를 가지는 시스템을 이용하여 유체의 수분 함량을 관리하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 제1 유체의 적어도 일부를 상기 건조제에 노출시키는 단계를 포함하는 공정 이용하여 상기 제1 유체로부터 수분을 제거하는 단계를 포함한다. 이에 의해서, 상기 건조제의 적어도 일부의 수분 함량을 증가한다. 수분함량이 증가된 상기 건조제의 적어도 일부를 제2 유체에 유입시켜 상기 건조제에서 상기 제2 유체로의 수분의 증발을 촉진하고 상기 제2 유체의 수분함량을 증가시킨다. 상기 제2 유체의 수분함량이 증가된 후 상기 제2 유체를 상기 시스템 열교환기에 통과시킨다. 이는 상기 제2 유체의 냉각 및 상기 제2 유체로부터의 수분의 제거를 촉진한다. 상기 제2 유체의 수분함량이 감소한 후 상기 제2 유체의 특성을 감지하고, 상기 시스템 열교환기의 열교환 능력을 감지된 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 제어한다.
또한, 본 발명 실시예들에 따르면, 적당한 건조제 재료를 갖는 제1 챔버로 주변 공기를 통과시키는 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 건조제는 접촉하는 공기에서 수분을 흡수 또는 흡착한다. 일실시예에 따르면, 건조제가 분산된 스폰지, 매체들, 냉각 코일, 또는 냉각 타워와 같은 접촉면으로 공기가 통과하도록 펌핑하여 공기가 건조제와 접촉한다. 상기 건조제 및/또는 제1 챔버는 공기에서 상기 건조제로의 수분의 전달이 보다 효율적으로 되도록 냉각될 수 있다. 상기 건조제는 공기에서 수분을 흡수 또는 흡착하여 수분이 상변화를 거치며 상기 공기로부터 응축되는 과정에서 공기로 부터의 잠열(latent heat)을 전달한다. 상기 건조제 및/또는 제1 챔버가 냉각되기 때문에, 현열 냉각(sensible cooling)-즉, 상태 변화에 기초하지 않는 냉각-이 공기에 제공될 수 있다. 따라서, 건조하고 냉각된 공기가 상기 제1 챔버에서 배출될 수 있다.
현재 물을 함유하는(함수, hydrous) 건조제는 상기 제1 챔버의 바닥에 모아지고 제2 챔버로 전달된다. 제2 챔버로의 전달은 상기 제1 및 제2 챔버들 사이의 파티션에 제공된 밸브 개구를 통한 펌핑이나 확산을 통해 이루어진다. 상기 밸브 개구는 상기 제1 및 제2 챔버들에서의 건조제 레벨을 균일하게 해준다. 상기 함수 건조제의 순 흐름(net flow)은 두 챔버들에서의 상기 건조제의 레벨이 균일하게 될 때까지 계속된다. 확산 또는 펌핑된 상기 제2 챔버내의 상기 함수 건조제는 가열되고 다시 공기로 노출될 수 있다.
원하는 결과를 얻기에 효과적이라면 어떤 방법이든 상관 없이 상기 건조제를 상기 챔버들로 유입시키는데 사용할 수 있다. 예를 들어, 제1 챔버는 수화된(hydrated) 건조제가 통과하여 아래로 배어 나와 챔버의 바닥에 모일 수 있는 해면질 셀률로스 재료를 포함할 수 있다. 또는, 건조제는 상기 제1 및 제2 챔버의 상부와 같은 내부의 지점들에서 물방울 형태로 떨어질 수 있도록 만들어 질 수 있다. 일실시예에 따르면, 건조제는 상기 제2 챔버의 내부로 분사된다. 열선(heating element)과 같은 열교환기가 노즐로부터 분사되어 떨어지는 함수(hydrous) 건조제를 가열하여 건조제에 흡수 또는 흡착된 수분은 증발시켜 고온의 습한 공기를 발생시키며 실질적으로 무수(anhydrous)인 건조제를 재생한다.
제2 챔버에서 나온 고온의 습한 공기는, 전형적인 튜브에 수용된 비등 유체, 열전 소자(thermoelectric element), 열 파이프, 냉매-팽창 코일, 또는 관련 기술분야의 당업자에게 알려진 다른 시스템들에 의한 적절한 냉각 공정에 의해 냉각되는 증발기와 같은 열흡수체의 이슬점 형성면들과 접촉되도록 안내될 수 있다. 고온의 습한 공기의 특성이-예를 들어, 습도 또는 온도- 감지될 수 있으며, 증발기의 열흡수 능력이 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 감지된 온도가 설정점 미만으로 떨어지는 경우, 증발기의 열흡수 능력을 줄일 수 있다. 동시에, 건조제가 통과하는 열교환기의 열흡수 능력을 증가시켜 제1 챔버로 유입되는 건조제를 더 냉각할 수 있다. 이 경우 결국에는, 증발기의 부하가 증가하여 온도가 설정점을 초과하게 되어, 증발기의 열흡수 능력이 증가되도록 하게 된다. 이러한 방식으로, 환경 조건들의 변화가 고려되어 시스템의 전체의 효율이 증가하게 된다.
본 발명의 적어도 일실시예에 따르면, 응축된 물을 살균하고 필터링하여 깨끗한 물을 생산할 수 있다. 따라서, 일실시예에 따르면, 응축 수집기에서 응축된 물을 자외선 장치에서 적절한 자외선에 노출시켜 해로운 미생물을 제거할 수 있다. 또한, 노출 처리된 물을 목탄(charcoal) 필터에 통과시켜 오염물 및 휘발성 유기화합물(volatile organic compounds, VOCs)를 제거하고, 복수개의 미네랄 카트리지에 통과시켜 미네랄 및/또는 비타민을 보충할 수 있다. 이러게 정화되고 미네랄 보충된 물은 제1 저장 탱크에 모아진다. 또한, 제1 저장 탱크에 저장되기 전에, 물을 산소 공급기에 통과시킨다. 제1 탱크에 저장된 물의 품질을 유지하기 위하여 소정 주기로 자외선 장치로 재순환 시킨다.
본 발명의 적어도 일실시예에 따르면, 냉온수가 제공될 수 있다. 즉, 일실시예에 따르면, 제1 저장 탱크의 물은 제2 저장 탱크로 중력을 이용하여 공급되고, 다시 제3 저장 탱크로 중력을 이용하여 공급된다. 제2 저장 탱크에서 물은 펠티어-효과 또는 화학/자성 냉각과 같은 적절한 냉각 공정, 또는 기존의 팽창-증발 코일, 또는 그외 적절한 방법을 이용하여 냉각된다. 냉각된 물은 제1 어린이 물꼭지(childproof spigot)을 통해 제공된다. 또한, 제3 탱크에서 물은 열선을 이용하여 가열되고 제2 물꼭지를 통해 제공된다. 제3 탱크의 열선으로 파워가 공급되지 않는 경우 주변 온도의 물이 제2 물꼭지를 통해 제공된다. 다른 실시예에 따르면, 주변 온도 상태의 제1 탱크의 물이 제3 물꼭지를 통해 바로 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 응축이 적게되는 경우 외부로부터 물을 도입할 수 있다. 즉, 시에서 제공되는 수도 꼭지와 같은 외부 소스가 신속 연결 해제될 수 있는 피팅(fittings)을 통해 제1 저장 탱크에 연결되어 외부의 물이 공급될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유체의 수분 함량 관리용 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체의 수분 함량 관리용 시스템의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유체의 수분 함량 관리용 시스템(10)의 개략도이다. 특히, 상기 시스템(10)은 공기의 수분 함량을 관리하도록 구성된다-공기로부터 수분을 수집하여 저장하고 이 후의 이용을 하기 위한 목적 또는 공기의 습도를 조절하기 위함-. 본 명세서에서 제시된 예들에서는 수분 함량 관리의 대상 유체가 주변 공기이지만, 본 발명에 따르면, 가스들, 액체들, 및 이들의 조합들과 같은 다른 유체에 대해서도 수분 함량 관리가 가능하다. 상기 시스템(10)은 제1 쳄버 또는 수집 쳄버(12)와 제2 쳄버 또는 재생 쳄버(14)를 포함한다. 수집 쳄버(12)는 그 내부로 제1 기류(19)가 유동할 수 있도록 하는 유입구(16)와 배출구(18)을 포함한다. 공기가 수집 쳄버(12) 내부를 유동하면서, 도 1의 실시예에 도시된 바와 같이 배관(22)를 수집 쳄버(12) 내부로 분사된 건조제(20)과 접촉한다.
공기가 수집 쳄버(12) 내부를 유동함에 따라, 증발되어 있던 수분이 응축되어 건조제(20)와 함께 수집 쳄버(12)의 바닥부(24)에 모인다. 공기의 수분을 흡수 또는 흡착함에 따라, 건조제(20)는 희석된다. 도 1에 도시된 건조제(20)는 액체이지만, 고체상 건조제나 2가지 상의(dual phase) 건조제-예를 들어, 고체와 액체-를 사용하는 것도 본 발명에서는 가능하다. 고체, 액체, 용액, 수용액, 혼합물, 및 이들의 조합들을 포함하는 어떠한 건조제라도 원하는 결과를 얻을 수 있다면 사용 가능하다. 염화리듐(LiCl) 및 염화칼슘(CaCl2)이 대표적인 액상 건조제 용액이지만, 다른 액상 건조제를 사용하는 것도 가능하다.
폴리콜(polycols)과 같은 액상 건조제가 단독으로 또는 혼합물의 형태로 사 용될 수 있다. 액상 화합물 형태의 대표적인 폴리콜의 예로는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 부틸렌 글리콜(butylene glycol), 펜틸렌 글리콜(pentylene glycol), 글리세롤(glycerol), 트리메티올 프로판(trimethyol propane), 디에틸렌 글리콜(diethytlene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 테트라에틸렌 글리콜(tetraethylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 트리프로필렌 글리콜(tripropylene glycol), 테트라프로필렌 글리콜(tetrapropylene glycol), 및 이들의 혼합물(mixtures)이 있다. 일반적으로 고체상이나 무수 액상 폴리콜(anhydrous liquid polycols) 또는 액상 하이드락실 아민(liquid hydroxyl amines)에 사실상 용해될 수 있는 폴리콜 화화물(polycol compounds)이 사용될 수 있다. 이러한 고체상 폴리콜 화합물의 대표적인 예로는 에리스리톨(erythritol), 소르비톨(sorbitol), 펜타에리스리톨(pentaerythritol), 및 저분자량 당(low molecular weight sugars)이 있다. 대표적인 하이드록실 아민의 예로는, 모노에탄올 아민(monoethanol amine), 디에탄올 아민(diethanol amine), 메탄올 아민(Methanol amine), 모노, 디, 트리 이소판올 아민(mono, di, and tri, isopropanol amine)을 포함하는 이소프로판올 아민(isopropanol amine), 또는 디클리콜아민(digylcolamine)이 있다.
몬모릴로나이트 클레이(노montmorillonite clay), 실리카 겔(silica gel), 분자체(molecular sieves), 산화칼슘(CaO), 황산칼슘(CaSO4)과 같은 다른 종류의 건조제가 사용될 수도 있다. 바람직한 건조제의 선택은 여러 특성중에서도 수분을 흡수할 주변 공기의 온도 및 습도 범위에 의해 좌우되며, 이는 당업자에게는 명확한 사실이다. 산화인(P2O5), 산화바륨(BaO), 산화알루미늄(A12O3), 수산화나트륨 스틱(NaOH sticks), 수산화칼륨 용융물(KOH fused), 브롬화칼슘(CaBr2), 염화아연(ZnC12), 과염소산바륨(Ba(Cl04)2), 및 브롬화아연(ZnBr2)과 같은 재료가 건조제로 사용될 수 도 있다.
상술한 바와 같이, 건조제(20)는 염화리듐 40%의 수용액을 포함하는 액상 건조제일 수 있다. 수집 쳄버(12) 내부에는 매트릭스 재질(23)이 있다. 매트릭스(23)는 건조제(20)와 수집 쳄버(12)를 유동하는 공기의 접촉을 증진시키는데 효과적인 스폰지, 매체, 또는 매체들이다. 건조제(20)은 펌프(26)에 의해 배관(22) 내로 펌핑된다. 펌프(26)는 건조제(20)를 제1 열교환기(28)를 통해서 수집 쳄버(12) 내부로 유입시킨다. 건조제(20)를 냉각함으로써, 건조제(20)의 제1 기류(19)에 대한 수분을 제거 능력이 향상된다. 냉매(refrigerant)와 같은 유체가 배관들(30, 32)를 통해 열교환기(28) 내부를 유동한다. 열교환기(28) 내부에서 건조제(20)는 제1 기류(19)의 온도보다 낮은 온도로 냉각된다. 이에 의하여, 제1 기류(19)는 수집 쳄버(12) 통과하면서 냉각된다. 열교환기(28) 대신에, 수집 쳄버(12) 내에 배치된 열교환기를 이용하여 제1 기류(19)를 직접 냉각시키거나 수집 쳄버(12) 내부로 분사된 건조제(20)을 냉각시킬 수도 있다.
재생 쳄버(14)도 또한 유입구(34)와 배출구(36)을 갖는다. 유입구(34)와 배출구(36)는 제2 기류의 재생 쳄버(14) 내부로의 이동 및 내부로부터의 이동을 촉진한다. 수집 쳄버(12)의 경우와 같이, 건조제(20)를 배관(42)를 통해 재생 쳄 버(14) 내부로 펌핑하기 위한 펌프(40)을 포함한다. 건조제(20)은 재생 쳄버(14) 내부로 분사되어 매트릭스(44)와 접촉한다. 매트릭스(23)과 같이, 매트릭스(44)는 스폰지 또는 다른 매체나 매체들일 수 있다.
두 챔버들(12, 14) 사이에는, 유동 제어부(46)이 배치된다. 유동 제어부(46)는 수집 쳄버(12)로부터의 함수(hydrous) 건조제가 재생 쳄버(14)의 건조제와 섞이는 동작 및 그 역 동작이 가능하도록 작동될 수 있는 전자 밸브일 수 있다. 밸브(46) 대신에, 다른 유동 제어 장치들을 사용하여 수집 쳄버(12)와 재생 쳄버(14) 사이의 건조제 흐름을 제어할 수 있다. 예를 들어, 삼투성 흐름(osmotic flow)을 통해 건조제(20)의 농도를 균일하게 할 수 있는 파티션(partition)이 사용될 수 있다. 이에 의해서, 수집 쳄버(12)내의 건조제(20)가 빠르게 희석되고 비효과적인 상태로 되는 것이 방지된다.
펌프들(26, 40) 건조제(20)를 배관들(45, 47) 각각을 통해 각각의 챔버들(12, 14)로 펌핑할 수 있다. 이와 달리, 건조제(20) 일부 또는 모두는 유동 제어부(46)를 통해 챔버들(12, 14) 중 어느 하나에서 다른 하나로 펌핑될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 유동 제어부(46)와 같은 유동 제어부는 각각의 펌프 배출구들과 직접 연결된 2개의 유입구들과 각각의 열교환기 유입구들과 직접 연결된 2개의 배출구들을 포함할 수 있다. 이 경우, 배관들(45, 47)은 필요하지 않을 것이다. 본 발명의 실시예들에서, 밸브(46)을 통한 흐름은 각각의 배관(45, 47)을 통한 흐름보다 작다. 예를 들어, 펌프(26, 40)의 유량이 200 리터/분(lpm)인 경우, 밸브(46)에서의 유량은 100 리터/시간(lph) 일 수 있다. 펌프(26, 40)에 의하 여 펌핑된 유체의 일부만이 반대측 쳄버(14, 12)로 안내된다. 역으로 말하며, 본 발명 다른 실시예들에 따르면, 유량이 다른-절대 유량 및 상호간의 상대적 유량 모두에서- 펌프들과 유동 제어부들이 제공될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 건조제(20)는 펌프(40)에 의해 펌핑되어 제2 열교환기(48)를 통과한다. 임의의 편리한 소스로부터 배관들(50, 52)을 통하여 열이 제2 열교환기(48)로 전달되게 할 수 있다. 제2 열교환기(48)를 통과하면서, 건조제(20)는 제2 기류(38)의 온도보다 높은 온도로 가열되어, 제2 기류(38)가 재생 쳄버(14)를 통과하면서 가열될 수 있게 된다. 제2 기류(38)를 가열함으로써, 더 많은 수분이 건조제(20)에서 제2 기류(38)로 증발된다. 재생 쳄버(14)의 외측에 배치된 제2 열교환기(48) 대신에, 재생 쳄버(14) 내부에 배치된 열교환기(미도시)를 사용할 수 있다.
시스템(10)을 사용하는 경우, 쳄버들(12, 14)에서 빠져 나오는 2개의 분리된 기류가 형성 된다. 건조한 제1 기류(19)가 배출구(18)를 통해 수집 쳄버(12)에서 빠져 나오고, 습한 제2 기류(38)가 배출구(36)를 통해 재생 쳄버(14)에서 빠져 나온다. 제1 기류(19)에서 수분을 추출함으로써 건조제(20)의 잠열(latent heat)이 증가되고 제1 기류(19)가 잠열 냉각(latent cooling)된다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 또한, 건조제(20)가 (또는 수집 쳄버(12), 또는 둘 모두) 냉각되기 때문에, 제1 기류(19) 자체도 현열 냉각(sensible cooling)되어 그 온도가 낮아지며 냉각된 건공기가 된다. 본 발명 일실시예에 따르면, 염화리듐 용액 10 리터를 사용하 여 송풍기에 의해 250 m3/hour 의 유량으로 유입되는 공기로부터 수분을 시간당 2 리터의 비율로 추출한다. 여기서, 현열 냉각 능력은 0.7 kW이고 잠열 냉각 능력은 1.4 kW이다. 따라서, 8.4℃ 공기의 온도를 낮출 수 있다.
재생 쳄버(14)를 떠난 따뜻하고 습한 제2 기류(38)는 시스템 열교환기 또는 증발기(54)로 유입될 수 있다. 증발기(54)는 습한 공기 흐름(38)에서 물(58)이 응축되어 추출되게 하는 접촉면(56)을 포함한다. 응축된 물(58)은 나중에 사용하기 위해 저장 탱크(60)로 회수 될 수 있다. 물(58)을 사용할 목적에 따라, 2차 시스템을 이용하거나 시스템(10)에 그러한 시스템이 포함되도록 하여 물(58)을 살균 처리 및/또는 기타 처리할 수 있다. 이러한 시스템의 예가 2005년 8월 26일, “System and method for producing water”라는 명칭으로 출원된 국제특허출원 PCT/US05/30529에 개시되어 있으며, 상기 출원의 내용을 본 명세서에서 인용한다.
증발기(54)는 제1 및 제2 열교환기들(28, 48)을 포함하는 냉동 서브시스템(62)의 일부이다. 냉동 서브시스템(62)에서 제1 및 제2 열교환기들(28, 48) 각각은 증발기와 응축기로 작동한다. 제3 유체 또는 냉매가 압축기(64)에 의해서 서브시스템(62)을 유동하도록 펌핑되고, 스로틀링 장치들(66, 68)은 상기 유동하는 냉매가 증발기들(28, 54) 각각에 도달하기 전에 팽창되도록 한다.
증발기들(28, 54)에서의 냉매의 흐름을 제어하기 위하여, 제어 밸브(70)가 사용된다. 제어 밸브(70)는 증발기(54) 내부로 적어도 일부분이 배치된 센서(72)와 연통된다. 센서(72)는 재생 쳄버(14)에서 수분은 취한 제2 기류(38)의 특 성(parameter)를 감지하도록 구성된다. 예를 들어, 센서(72)는 제2 기류(38)의 습도를 측정할 수 있는 습도계 또는 기타 다른 장치일 수 있으며, 이는 시스템(10)이 제습을 위해 사용되는 경우 편리할 것이다. 또는, 센서(72)는 제2 기류(38)의 온도를 감지하도록 구성된 온도 센서일 수 있으며, 이는 시스템(10)이 물을 생산하는 데 쓰이는 경우 편리할 것이다. 어떠한 경우라도, 센서(72)는 감지된 특성과 관련된 신호를 제어 밸브(70)로 출력할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 센서(72)는 증발기(54)내어서 제2 기류(38)의 온도를 측정하도록 구성된다. 냉매가 증발기(54)로 흐르도록 밸브(70)이 열리면, 증발기(54)는 제2 기류(38)를 냉각하게 된다. 측정된 온도가 소정의 설정점-예를 들어, 3℃- 떨어지는 경우, 센서(72)는 밸브(70)가 닫히도록 신호를 보내도록 구성된다. 그러면, 증발기(54)로의 냉매의 흐름이 차단되어, 다른 증발기 또는 제2 증발기(28)로 흐르는 냉매의 양이 증가한다. 이러한 방식으로, 증발기(28)의 열흡수 능력을 증가시키는 동안, 증발기(54)의 열흡수 능력을 감소시키고, 즉 그의 냉각 능력을 증가시킨다. 수집 쳄버(12)로 들어가는 건조제(20)에 대한 냉각이 증대되어 더 많은 물이 제1 기류(19)로부터 흡수되게 된다. 다른 실시예들에 따르면, 센서(72)와 같은 센서가 제2 기류(38)의 습도를 측정하도록 구성된 습도계를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 측정된 습도가 설정점과 같거나 낮은 경우 밸브(70)가 닫히도록 신호를 발생 시켜서, 증발기(54)의 냉각능력을 낮추고 증발기(28)의 냉각능력을 자동으로 높이일 수 있다.
기류들(19, 38)의 수분함량이 낮은 경우, 설정점-온도 또는 습도-에 빠르게 도달하여, 수집 쳄버(12)로 들어가는 건조제(20)에 대한 냉각이 증대될 것이다. 그 결과, 수집 쳄버(12)에서 수집되어 유동 제어부(46)를 통해 재생 쳄버(14)로 전달되는 물의 양이 증가한다. 그러면, 재생 쳄버(14)에 높은 부하가 걸리게 되고, 결국 센서(72)에 의해 감지되는 온도를 증가한다. 밸브(70)가 열리고 닫히는 사이클링아 끊임없이 수행되도록 하기 위해, 시스템(10)에는 히스테리시스(hysteresis) 구조가 마련될 수 있다. 이러한 방법으로, 밸브(70)는 감지된 온도가 일 설정점이 되는 경우 닫히고, 감지된 온도가 일 설정점보다 약간 높은 다른 설정점에 도달하기 전까지는 열리지 않게 될 것이다.
시스템(10)에서, 센서(72)와 밸브(70)중 어느 하나 또는 둘 모두는 예를 들어 온도 또는 습도 설정점으로 프로그램될 수 있는 하나 또는 그 이상의 제어부를 포함할 수 있다. 또한, 제어부(46)은 수집 쳄버(12)와 재생 쳄버(14) 사이에서의 건조제(20)의 흐름을 적절히 제어하도록 프로그램될 수 있다. 따라서, 시스템(10)은 독립적으로 작동하는 제어부들로 구성된 제어 시스템을 포함한다. 또는, 시스템 제어부를 사용하여 시스템의 다양항 구성들의 기능을 조정할 수 있다; 이러한 시스템이 도 2에 도시된다. 도 2에서, 프라임 심볼(′)은 도 1의 시스템(10)의 구성 요소들과 관련된 구성요소들을 나타내기 위해 사용된다.
도 2는 유체의 수분 함량 관리용 시스템(10′)의 개략도이다. 도 1의 시스템(10)의 경우와 같이, 시스템(10′)은 수집 챔버(28′)와 재생 챔버(48′)를 포함하며, 이들 건조제(20′)의 온도를 제어하기 위하여 열교환기들(28′, 48′)을 각각 포함한다. 열교환기들(28′, 48′)은 냉동 서브시스템(62′)의 일부이다. 냉동 서브시스템(62′)은 열교환기 배열(74)를 포함하며, 열교환기 배열(74)는 열교환기 또는 증발기(54′)와 냉매 유동 밸브(70′)를 포함한다. 비록 증발기(54′)가 유동 제어 밸브(70′)와 분리되게 도시되었지만, 이들은 단일 장치로 집적될 수 있고 이 단일 장치에 센서(72′)도 포함될 수 있다. 도 1에 도시된 센서(72)와 유사하게, 센서(72′)는 기류(38′)의 특성을-예를 들어, 온도, 습도등- 측정하고 측정된 특성과 관련된 신호를 출력하도록 구성되어 있다.
다수의 독립적인 제어부들에 의존하기 보다는, 시스템(10′)은 다른 제어기들과-예를 들어, 유동 제어부(46′)와 밸브(70′)과 센서(72′)내의 제어부 또는 제어부들- 연통되어 제어 시스템을 구성하는 시스템 제어부(76)를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 시스템 제어부(76)는 펌프들(26′, 40′)과 같은 시스템(10′)의 다른 구성요소들을 제어하는데 사용될 수 있다. 이러한 구성에 의하여 시스템(10)과 같은 시스템의 다양한 구성 요소들에 대한 중앙 집중적 제어가 편리하게 제공된다. 도 1에 도시된 시스템(10)과 유사하게, 시스템(10′)은 환경 조건들의 변화에 적응하기 위해 다양한 시스템 구성요소들의 가열 또는 냉각능력을 변화시키도록 작동될 수 있다.
이상 본 발명 실시예들이 설명되었지만, 이는 본 발명 모든 가능한 형태를 기술하거나 설명하는 것은 아니다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 한정하려는 것은 아니며, 본 발명 기술적 사상의 범위내에서 다양한 변형 및 균등한 타 실시예들이 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 제1 유체의 유입과 배출이 촉진되도록 하는 유입구와 배출구를 포함하는 제1 챔버;
    상기 제1 챔버를 통과하는 상기 제1 유체로부터 수분을 제거하기 위하여 상기 제1 챔버로 유입될 수 있는 건조제;
    상기 건조제가 상기 제1 유체로부터 수분을 제거한 후 상기 건조제의 적어도 일부를 수용하도록 구성되며, 제2 유체의 유입과 배출이 촉진되도록 하는 유입구와 배출구를 포함하고, 그 내부에서 상기 건조제로부터 상기 제2 유체로 수분의 증발이 촉진되도록 하여 상기 제2 유체의 수분 함량을 높이는 제2 쳄버;
    제3 유체가 내부를 통과하도록 구성되며, 상기 제2 유체를 상기 제2 쳄버로부터 공급받아 상기 제2 유체에서 상기 제3 유체로 열전달이 촉진되도록 구성되어, 상기 제2 유체에서 수분의 제거가 촉진되게 하는 열교환기 배열;
    상기 제3 유체의 흐름을 변동시키도록 작동 가능한 밸브; 및
    상기 제2 유체의 수분 함량이 증가된 후에 상기 제2 유체의 특성을 감지하고 감지된 특성과 관련된 신호들을 출력하여 상기 밸브의 제어에 영향을 주어 상기 측정된 특성에 기초하여 시스템 열교환기를 통과하는 상기 제3 유체의 흐름이 제어되도록 구성되는 센서를 포함하는 유체의 수분 함량 관리용 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체의 수분 함량 관리용 시스템은 상기 제3 유체를 그 내부로 통과시키고 상기 건조제가 상기 제1 쳄버로 유입되기 전에 상기 건조제를 냉각하도록 구성된 제1 열교환기를 더 포함하며, 상기 밸브를 통과하는 상기 제3 유체의 흐름이 줄어드는 경우 상기 제1 열교환기를 통과하는 상기 제3 유체의 흐름을 증가시켜 상기 제1 열교환기의 냉각능력을 증대시키도록 상기 제1 열교환기와 상기 밸브가 배열되는 유체의 수분 함량 관리용 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서는 상기 밸브와 연통되며, 상기 감지된 특성과 관련된 신호들은 상기 센서에서 상기 밸브로 출력되는 유체의 수분 함량 관리용 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 열교환기 배열은 시스템 열교환기 및 상기 밸브를 포함하며, 상기 유체의 수분 함량 관리용 시스템은 적어도 하나의 제어부를 포함하며 상기 열교환기 배열 및 상기 센서와 연통되는 제어 시스템을 더 포함하며, 상기 제어 시스템은 상기 센서로부터 신호들을 수신하도록 구성되고 상기 시스템 열교환기의 냉각능력을 조정하기 위하여 상기 밸브의 작동에 영향을 미치도록 구성되는 유체의 수분 함량 관리용 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 건조제는 적어도 부분적으로 유체이며, 상기 유체의 수분 함량 관리용 시스템은,
    상기 제1 및 제2 쳄버들로 건조제를 각각 펌핑하기 위한 한 쌍의 펌프들; 및
    상기 제1 및 제2 쳄버들 사이에 배치되고 상기 제1 및 제2 쳄버들 사이에서의 건조제의 교환이 촉진되도록 작동 가능한 유동 제어부를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은 상기 펌프들과 상기 유동 제어부의 작동을 제어하도록 구성되는 유체의 수분 함량 관리용 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 온도 센서를 포함하며, 감지된 온도가 제1 설정점 온도 이하인 경우 상기 센서에서 출력된 신호들에 의해 상기 밸브가 닫히는 유체의 수분 함량 관리용 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 습도계를 포함하며, 감지된 습도가 제1 설정점 습도 이하인 경우 상기 센서에서 출력된 신호들에 의해 상기 밸브가 닫히는 유체의 수분 함량 관리용 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유체의 수분 함량 관리용 시스템은 제3 유체를 그 내부로 통과시키고 상기 건조제가 상기 제2 쳄버로 유입되기 전에 상기 건조제를 가열하도록 구성된 제2 열교환기를 더 포함하며, 상기 밸브를 통과하는 상기 제3 유체의 흐름이 줄어드는 경우 상기 제2 열교환기를 통과하는 상기 제3 유체의 흐름을 증가시켜 상기 제2 열교환기의 가열능력을 증대시키도록 상기 제2 열교환기와 상기 밸브가 배열되는 유체의 수분 함량 관리용 시스템.
  9. 건조제를 포함하고 적어도 시스템 열교환기를 가지는 열교환기 배열을 포함하는 시스템을 이용하여 유체의 수분 함량을 관리하기 위한 방법에 있어서,
    제1 유체의 적어도 일부를 상기 건조제에 노출시켜서 상기 건조제의 적어도 일부의 수분 함량을 증가시키는 단계와, 상기 제1 유체에서 제거되는 수분의 양을 증가시키기 위해 상기 제1 유체가 상기 건조제에 노출되기 전에 상기 건조제를 제1 열교환기에 통과시켜 냉각하는 단계를 더 포함하는 공정을 이용하여 상기 제1 유체로부터 수분을 제거하는 단계;
    수분함량이 증가된 상기 건조제의 적어도 일부를 제2 유체에 유입시켜 상기 건조제에서 상기 제2 유체로의 수분의 증발을 촉진하고 상기 제2 유체의 수분함량을 증가시키는 단계;
    상기 제2 유체의 수분함량이 증가된 후 상기 제2 유체를 상기 시스템 열교환기에 통과시켜 상기 제2 유체의 냉각 및 상기 제2 유체로부터의 수분의 제거를 촉진하는 단계;
    상기 제2 유체의 수분함량이 감소한 후 상기 제2 유체의 특성을 감지하는 단 계; 및
    상기 제1 열교환기의 냉각능력이 자동 조정되도록 상기 감지된 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 시스템 열교환기의 냉각능력을 조정하는 단계를 포함하는 유체의 수분 함량을 관리하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 유체의 특성을 감지하는 단계는 상기 제2 유체의 습도를 감지하는 단계를 포함하며, 감지된 습도가 제1 설정점 습도 이하인 경우 상기 시스템 열교환기의 냉각능력이 감소되는 유체의 수분 함량을 관리하기 위한 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 유체의 특성을 감지하는 단계는 상기 제2 유체의 온도를 감지하는 단계를 포함하며, 감지된 온도가 제1 설정점 온도 이하인 경우 상기 시스템 열교환기의 냉각능력이 감소되는 유체의 수분 함량을 관리하기 위한 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 시스템 열교환기의 냉각능력을 조정하는 단계는 상기 제1 열교환기의 냉각능력이 자동으로 증가되도록 상기 시스템 열교환기의 냉동능력을 감소시키는 단계를 포함하는 유체의 수분 함량을 관리하기 위한 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 시스템 열교환기의 냉각능력을 조정하는 단계는 상기 제1 열교환기의 냉각능력이 자동으로 감소되도록 상기 시스템 열교환기의 냉동능력을 증가시키는 단계를 포함하는 유체의 수분 함량을 관리하기 위한 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 건조제에서 상기 제2 유체로 증발되는 수분의 양을 증가시키기 위하여, 상기 건조제가 상기 제2 유체로 유입되기 전에 상기 건조제를 가열하는 단계를 더 포함하는 유체의 수분 함량을 관리하기 위한 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 건조제가 상기 제2 유체로 유입되기 전에 상기 건조제를 가열하는 단계는 상기 건조제를 제2 열교환기에 통과시키는 단계를 포함하며, 상기 시스템 열교환기의 냉각 능력이 감소하는 경우 상기 제2 열교환기 가열능력이 자동적으로 증가되도록 상기 제2 열교환기와 상기 시스템 열교환기가 상호 동작하는 유체의 수분 함량을 관리하기 위한 방법.
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