KR20100119383A - 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조 및 그의 과냉각 방지방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 발생장치를 구비하여 초음파 진동에 의한 캐비테이션(Cavitation)을 이용함으로써 축열재의 과냉각을 방지하여 전력소모를 줄일 수 있고, 축열매개체의 축열능력이 우수하여 중소형 건물에 적용가능한 빙축열조 및 축열재의 과냉각 방지방법에 관한 것이다. 이를 달성하기 위한 수단으로 본 발명에 따른 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조는 빙축열 냉방시스템 내의 축열재에 초음파 진동을 인가하기 위한 초음파 발생장치를 구비한다. 초음파 발생장치는 축열제에 인접한 금속판; 금속판의 일면에 부착된 진동자; 및 금속판에 연결되어 진동자에 구동전압을 인가하는 구동회로;를 포함한다.

본 발명에 의하면 초음파 진동에 의한 캐비테이션을 이용함으로써 축열재가 과냉각되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 축열재의 결빙이 신속하게 이루어지므로 냉동기의 용량을 30% 이상 줄일 수 있으며, 전력소모를 방지하여 경제적인 이점이 있다. 또한, 초음파 진동에 의해 축열재의 해빙을 촉진할 수 있어 효율적인 냉방능력을 갖게 된다.

빙축열, 축열조, 얼음, 슬러리, 캡슐, 초음파

Description

초음파 발생장치를 갖는 빙축열조 및 그의 과냉각 방지방법{Ice thermal storage tank having ultrasonic generator and method for preventing super cooling of heat storage material}

본 발명은 빙축열 냉방시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 발생장치를 구비하여 초음파 진동에 의한 캐비테이션(Cavitation)을 이용함으로써 축열재의 과냉각을 방지하여 전력소모를 줄일 수 있고, 축열매개체의 축열능력이 우수하여 중소형 건물에 적용가능한 빙축열조 및 그의 과냉각 방지방법에 관한 것이다.

일반적으로 빙축열 냉방시스템은 심야 전기로 얼음을 얼려 그 냉열을 축열하였다가, 주간에 축열된 냉열을 이용하여 냉방을 하는 축열식 열교환시스템으로서 주로 대형 건물에서 운용되고 있다. 이러한 빙축열 냉방시스템은 주야간의 전력수요 격차를 줄일 수 있고, 주간 요금의 1/4 수준인 심야 전기를 이용함으로써 냉방시스템의 운영비를 대폭 절감할 수 있다. 따라서, 에너지부족 국가인 우리나라에서 그 효용성이 날로 증대되고 있다.

빙축열 냉방시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 펌프(30)를 이용하여 냉동기(10)에 의해 냉각된 부동액(brine)을 빙축열조(20)에 유동시키면 빙축열조(20)에 수용된 축열재(보통 큰 잠열값을 갖고 경제적인 물을 사용)가 결빙되어 잠열을 저장하게 된다. 이때 물의 경우 얼음 1kg당 80kcal의 잠열을 저장한다. 그리고, 냉동기(10)의 가동을 멈춘 상태에서 상온의 부동액을 빙축열조(20)에 유동시키면 결빙된 축열재가 해빙되면서 저장된 잠열을 방출하게 되고, 이에 따라 부동액이 냉각된다. 이후 냉각된 부동액이 열교환기(40)를 거치면서 건물의 냉방이 이루어지게 된다.

이러한 빙축열 냉방시스템에 사용되는 빙축열조(20)는 축열재를 결빙하는 방식에 따라 캡슐 방식(Encapsulated type), 관외착빙 방식(Ice on coil type), 아이스슬러리 방식(Ice slurry type) 등이 있다.

캡슐 방식의 빙축열조는 도 1에 도시된 바와 같이 축열재가 충진된 구형상의 캡슐형 축열매개체(이하, '축열볼'이라고 함)(22)가 빙축열조(20)에 대량으로 수용되는 구조를 갖는다. 이러한 캡슐 방식의 빙축열조(20)는 단순한 구조를 갖고, 축열볼(22)의 대량 생산이 용이하여 널리 사용되고 있다. 참고로 캡슐 방식의 빙축열조(22)와 관련하여 본 출원인은 대한민국 등록특허 제692251호의 "축열구조"에 관하여 등록받은 바 있다. 이에 의하면 캡슐형 축열매개체가 유동하는 것을 방지하고, 운반 및 설치가 용이한 축열구조에 관한 내용이 개시되어 있다.

관외착빙 방식의 빙축열조는 내부에 수용되는 코일에 냉각된 부동액을 유동시킴으로써 빙축열조에 채워진 축열재를 얼리는 구조를 갖는다.

아이스슬러리 방식의 빙축열조는 프로필렌그리콜 등의 첨가제를 이용하여 제조된 얼음을 스크레퍼로 긁어내거나, 과냉각수에 물리적인 충격을 가하여 미세한 얼음입자인 아이스슬러리를 제조하는 구조를 갖는다. 아이스슬러리 방식의 빙축열조는 아이스슬러리를 제조하기 위한 기계적인 구성을 포함하게 되어 빙축열조가 대형화되고, 시공 및 관리가 용이하지 않다.

앞서 설명한 캡슐 및 관외착빙 방식의 빙축열조는 축열재가 어는점 이하의 온도로 급랭하게 될 때 과냉각되어 결정화가 쉽게 이루어지지 않는다는 문제점이 있다. 즉, 과냉각된 축열제는 액체상태를 유지하기 때문에 잠열을 저장할 수 없는 것이다. 따라서, 축열재를 결빙시키기 위해 축열제의 어는점(물의 경우 0℃)보다 한층 낮은 온도(물의 경우 -4℃ 이하)의 부동액을 빙축열조에 유입시켜야 한다. 결국, 냉동기의 용량이 커지게 되고 이는 전력소모가 과도해지는 문제점이 있다.

이러한 문제점으로 조핵제(Nucleating agent)를 첨가하여 축열재의 과냉각 현상을 완화시키기도 한다. 조핵제는 과냉각된 축열제에 결빙핵의 형성을 도와 축열제의 결정화를 촉진하는 작용을 한다. 그러나, 축열제의 온도에 따라 최적의 조핵제가 달라지기 때문에 적절한 조핵제의 선택이 어렵다는 단점이 있다.

한편, 종래의 빙축열조는 단위 부피당 축열능력이 작아서 빙축열조의 크기가 대형화할 수밖에 없고, 시공 및 운영하는데 있어 비용이 많이 든다. 이에 따라 빙축열 냉방시스템을 중소형 건물에 적용하기가 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 축열제가 과냉각되는 것을 방지하고, 전력소모를 최소화할 수 있는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조를 제공하는 것이다.

또한, 캡슐형 축열매개체의 축열능력을 향상시켜 빙축열조의 크기를 줄일 수 있고, 시공 및 관리가 용이하여 중소형 건물에 적용할 수 있는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조를 제공하는 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조는 빙축열 냉방시스템 내의 축열재에 초음파 진동을 인가하기 위한 초음파 발생장치를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조에 있어서 초음파 발생장치는 축열제에 인접한 금속판; 금속판의 일면에 부착된 진동자; 및 금속판에 연결되어 진동자에 구동전압을 인가하는 구동회로;를 포함한다. 이때, 초음파 발생장치는 축열재의 온도를 감지하는 온도센서; 및 온도센서의 신호에 기초하여 구동회로의 구동을 제어하는 제어부;를 더 구비한다. 그리고, 초음파 발생장치는37 ~ 45kHz의 발진 주파수를 갖고, 축열재가 수용되는 프레임의 일측에 구비된다.

또한, 본 발명에 따른 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조에 있어서, 빙축열조는 내부에 축열재가 충진된 캡슐형 축열매개체로 채워진다. 이때, 캡슐형 축열매 개체는 측부에 요철이 형성된 봉형상의 축열봉; 및 축열봉이 삽입되도록 내측 중앙에 삽입공이 관통되고 측부에 요철이 형성되어 축열봉에 삽입되는 복수의 축열링;으로 조합된 원통형 모듈체이다. 그리고, 축열봉의 요철이 나사산으로 고르게 형성되어 프레임 내부에서 유동하는 부동액과의 접촉면적이 증가되고, 축열링에는 상하부에 복수의 이격돌기가 돌출 형성되어 프레임 내부에서 유동하는 부동액의 접촉면적을 증가된다. 이때, 축열봉과 축열링은 섬유질이 삽입된 저밀도 폴리에틸렌을 재질로 하여 외피가 얇게 형성된다.

또한, 본 발명에 따른 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조에 있어서, 프레임은 사각의 상자 형상을 갖는다. 이때, 캡슐형 축열매개체는 수직으로 세워진 상태에서 그룹화프레임에 복수로 탑재되어 그룹화되고, 그룹화프레임이 프레임에 복수로 수용된다. 이때, 초음파 발생장치는 복수의 축열봉의 일단마다 설치된다.

또한, 본 발명에 따른 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조에 있어서, 프레임은 스테인리스 스틸을 재질로 하고, 단열재가 더 구비된다. 이때, 단열재는 아스팔트루핑의 방습처리가 된다. 그리고, 프레임 및 금속판의 수평단면은 일변의 길이가 350 ~ 540mm인 정사각형상을 갖고, 프레임(100)의 높이는 500mm ~ 700mm이다.

한편, 본 발명에 따른 축열재의 과냉각 방지방법은 저온의 부동액이 빙축열조 내부에 유입되는 단계(S100); 상온의 축열재가 부동액과의 열교환으로 냉각되는 단계(S200); 축열재의 온도가 어는점에 도달함을 온도센서가 감지하는 단계(S300); 온도센서의 신호에 기초하여 초음파 발생장치가 소정의 진동주파수를 갖는 초음파 진동을 축열재에 인가하는 단계(S400); 결빙점에 도달한 축열재가 과냉각되기 전에 인가된 초음파 진동에 의해 축열재에 결정핵이 형성되는 단계(S500); 및 결정핵을 중심으로 결정이 성장하여 아이스슬러리가 생성되는 단계(S600);를 거치게 된다. 이때, 초음파 발생장치가 초음파를 인가하는 단계(S400)는 초음파 발생장치가 소정시간 동안만 초음파를 인가하게 된다.

이상과 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조 및 그의 과냉각 방지방법은 초음파 진동에 의한 캐비테이션을 이용함으로써 축열재가 과냉각되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 축열재의 결빙이 신속하게 이루어지므로 냉동기의 용량을 30% 이상 줄일 수 있다. 또한, 초음파 진동에 의해 축열재의 해빙을 촉진할 수 있어 효율적인 냉방능력을 갖게 되는 이점이 있다.

또한, 축열봉과 축열링이 조합된 캡슐형 축열매개체의 구조는 전열면적이 넓기 때문에 열유동 특성이 향상된다. 그리고, 축열봉과 축열링은 섬유질이 삽입된 저밀도 폴리에틸렌을 재료로 제조되므로 내구성이 크게 향상되어 축열재의 팽창 및 수축에 의한 변형 및 파손을 방지할 수 있는 이점이 있다.

나아가 본 발명에 따른 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조는 냉방용량을 크게 향상되므로 빙축열조의 크기를 대폭 줄일 수 있으며, 캡슐형 축열매개체의 패키지화로 시공 및 관리가 용이한 이점이 있다. 이를 통해 대형 건물뿐만 아니라 중소형 건물에 적용이 가능하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용한다.

먼저, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 빙축열조를 도시한 사시도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 빙축열조(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 크게 프레임(110), 초음파 발생장치(120) 및 캡슐형 축열매개체(130)로 구성된다.

프레임(110)은 도 2에 도시된 바와 같이 내부에 캡슐형 축열매개체(150)를 채울 수 있도록 상부가 개방되고, 프레임(110)의 개방된 상부를 덮는 덮개(미도시)가 구비된다. 프레임(110)은 원통형인 것도 가능하나, 본 발명의 일실시예에 의하면 사각의 상자 형상을 갖는다. 그리고, 프레임(110)은 일측면의 상부에 연결된 부동액 유입파이프(112)를 통하여 부동액이 유입되고, 타측면의 하부에 연결된 부동액 배출파이프(114)를 통하여 부동액이 배출됨으로써 부동액이 프레임(110) 내부에서 유동하게 된다. 이때, 부동액 유입파이프(112)와 배출파이프(114)는 복수로 구비되어 일정한 간격으로 배열된다. 따라서, 부동액이 프레임(110) 내부에 균일하게 유입하고 배출되는 것이다.

본 발명의 일실시예에 의하면 프레임(110)은 내식성 및 강성이 우수한 스테인리스 스틸로 제작된다. 그리고, 프레임(110)과 덮개(미도시)에는 단열재(미도 시)가 구비되어 축열된 냉열이 유출되는 것을 방지한다. 이때, 단열재(미도시)는 축냉식 냉방기기의 단열기준을 고려하여 발포 우레탄을 사용한다. 또한, 단열재(미도시)가 습기를 흡수할 경우 단열성능이 저하되므로 아스팔트 루핑(asphalt roofing)의 방습처리를 한다.

도 3은 도 2의 초음파 발생장치를 도시한 사시도이다. 초음파 발생장치(120)는 프레임(110) 내부에 수용되는 축열재에 초음파 진동을 인가하기 위한 것이다. 초음파 발생장치(120)는 37kHz ~ 45kHz의 발진 주파수를 갖도록 금속판(122), 진동자(124), 구동회로(126), 제어부(128) 및 온도센서(129)로 구성되어 프레임(110)의 일측에 설치된다. 본 발명의 일실시예에 의하면 초음파 발생장치(120)는 프레임(110)의 내부에 초음파 진동을 고르게 인가하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 프레임(110) 밑에 설치된다.

금속판(122)은 진동자(124)의 미소진동을 증폭하는 역할과 진동자(124)에서 발생하는 열을 흡수하여 진동자(124)를 냉각하는 역할을 하게 된다. 진동자(124)는 구동회로(126)에서 인가되는 구동전압에 의하여 초음파 진동을 하는 진동체로서 본 발명의 일실시예에 의하면 압전 세라믹소자 또는 피에조 소자가 사용된다. 진동자(124)는 도 3에 도시된 바와 같이 복수개가 구비되어 금속판(122)의 일면에 부착된다. 구동회로(126)는 금속판(122)과 연결되어 금속판(122)에 부착된 복수의 진동자(124)에 구동전압을 인가하게 된다. 그리고, 온도센서(130)는 축열재의 온도를 감지하게 되고, 제어부(128)는 온도센서(130)의 신호에 기초하여 구동회로(126)의 구동을 제어하게 된다. 한편, 상술한 초음파 발생장치(120)는 프레 임(110)의 측면이나 상부 또는 내부에 설치할 수도 있다.

도 4는 캡슐형 축열매개체를 도시한 사시도이다. 캡슐형 축열매개체(130)는 도 4에 도시된 바와 같이 1개의 축열봉(132)과 복수의 축열링(134)이 조합된 모듈체이다. 축열봉(132)과 축열링(134)의 내부에는 상변화 물질인 축열재가 충진된다. 축열재는 물, 수용액, 화학 잠열재 등을 사용할 수 있으나, 본 일실시예에 의하면 잠열값이 크고 경제적인 물을 사용한다. 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 축열매개체(130)는 초음파 발생장치(120)에 의해 축열재가 과냉각되는 것이 방지되기 때문에 조핵제가 첨가되지 않는다. 그리고, 축열봉(132)과 축열링(134)의 재질은 저밀도 폴리에틸렌(Low density polyethylene)에 탄소 섬유질이 30% 정도 삽입되어 종래의 캡슐형 축열매개체에 비해 내구성이 대폭 향상되었다. 따라서, 축열봉(132)과 축열링(134)의 외피가 종래 평균 2mm였던 것에 비해 평균 1.6mm 정도로 얇게 형성할 수 있다. 이로 인해 열전도 계수를 높일 수 있어 신속한 제빙 및 해빙이 가능하다.

축열봉(132)은 도 5a에 도시된 바와 같이 측부에 요철(133)이 형성되어 있다. 요철(153)은 나사산으로 고르게 형성되어 프레임(110) 내부에서 유동하는 부동액과의 접촉면적을 증가시키게 된다.

축열링(134)은 도 5b에 도시된 바와 같이 축열봉(132)이 삽입되도록 내측 중앙에 삽입공(135)이 관통되고, 측부에 요철(136)이 형성되어 축열봉(132)에 삽입된다. 축열링(154)에는 상하부에 복수의 이격돌기(137)가 돌출 형성되어 부동액과의 접촉면적을 증가시키게 된다.

한편, 캡슐형 축열매개체(130)는 도 6에 도시된 바와 같이 수직으로 세워진 상태에서 그룹화프레임(140)에 복수개가 탑재되어 그룹화된다. 그룹화프레임(140)은 내식성이 강한 스테인리스 스틸로 제작되고, 부동액의 유동을 방해하지 않도록 강선(142)이 그룹화프레임(140)의 측면과 하면에 설치된다. 이와 같이 복수의 캡슐형 축열매개체(130)가 그룹화프레임(140)에 탑재됨으로써 운반이 용이하여 축열조의 시공 및 유지보수가 용이해지는 것이다. 그리고, 필요에 따라 그룹화프레임(140)에 초음파 발생장치(120)를 설치할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 발생장치(120)는 진동자(124)가 그룹화프레임(140)에 탑재된 캡슐형 축열매개체(130)의 축열봉(132)의 일단에 오도록 금속판(122)에 설치된다. 따라서, 수직으로 세워져 설치되는 캡슐형 축열매개체(150)마다 초음파 진동을 가하게 되어 제빙 및 냉각효율이 더욱 증대된다.

도 8은 본 발명의 축열매개체(150)와 종래의 축열매개체(155)의 열교환 효율을 전산열유체(CFD)를 이용하여 상용코드인 FLUENT로 시뮬레이션하여 비교한 그림이다. 본 발명의 축열매개체(150)는 도 8a에 도시된 바와 같이 축열봉(132)과 축열링(134)이 조합된 모듈체이고, 모듈체 사이의 공간에는 축열봉(132)이 배열되어 있다. 종래의 축열매개체는 도 8b에 도시된 바와 같이 축열볼(155)만이 배열되어 있다. 도 8a 및 도 8b를 비교하면 도 8a에 도시된 본 발명의 축열매개체(150)가 도 8b에 도시된 종래의 구형상의 축열매개체(155)에 비해 저온을 나타내는 파란색 또는 녹색 부분이 많고, 이는 본 발명의 축열매개체(150)가 열교환 능력이 우수하다는 결과를 보여 준다.

도 9는 본 발명의 축열매개체와 종래의 축열매개체의 열교환 효율을 비교한 그래프이다. 모듈체(삼각형으로 표시)를 이루는 본 발명의 축열매개체가 축열볼(사각형으로 표시) 또는 축열봉(원으로 표시)에 비해 열전달 효율이 우수하다는 것을 보여주고 있다. 이는 모듈체를 이루는 본 발명의 축열매개체가 기하학적인 형상면에서 열전달 표면적이 넓으며, 빙축열조 내의 유체의 흐름도 원활하기 때문이다. 부동액의 유속에 관하여서는 부동액의 유속이 빠를수록 축열매개체의 열전달 효율이 증가하는 것을 나타내고 있다. 한편, 부동액의 유속이 0.007m/s 이상에서는 축열매개체의 열전달 효율의 증가율 낮아진다는 것을 보여주고 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 축열조(100)는 앞서 설명한 바와 같이 초음파 발생장치(120)에 의해 축열재의 과냉각되는 것이 방지되고, 캡슐형 축열매개체(130)에 의해 축열능력이 크게 개선되어 그 크기를 대폭 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 축열조(100)가 적용된 빙축열 냉방시스템은 대형 건물뿐만 아니라 중소형 건물에도 설치할 수 있는 장점이 있다. 본 일실시예에 의하면 프레임(100)의 수평단면은 일변이 350mm ~ 540mm의 길이를 갖는 정사각형 형상이다. 그리고, 프레임(100)의 높이는 500mm ~ 700mm이다. 이와 같은 저장용량을 갖는 본 발명의 축열조(100)가 적용된 빙축열 냉방시스템은 냉동기의 용량을 5 ~ 15마력(HP) 사용가능하여 종래에 비해 냉동기의 용량을 30% 이상 절감할 수 있게 된다.

이하, 도 7 및 도 10을 참고하여 본 발명에 따른 축열재의 과냉각 방지방법에 대하여 설명하기로 한다.

캡슐형 축열매개체(130)는 축열봉(132)이고, 축열재는 물인 것으로 하여 설명한다. 본 발명에 따른 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조는 물이 과냉각 상태에 이르기 전에 초음파 진동을 물에 인가하여 얼음결정의 생성을 촉진하는 것이다.

본 발명의 과냉각 방지방법은 도 10에 도시된 바와 같이 저온의 부동액이 유입되는 단계(S100), 상온의 축열재가 냉각되는 단계(S200), 축열재의 온도가 어는점에 도달함을 온도센서가 감지하는 단계(S300), 초음파 발생장치가 초음파 진동을 인가하는 단계(S400), 축열재에 결정핵이 형성되는 단계(S500), 아이스슬러리가 생성되는 단계(S600)를 차례로 거치게 된다.

저온의 부동액이 유입되는 단계(S100)는 냉동기(미도시)에 의하여 약 -4℃로 냉각된 부동액(160)이 도 2에 도시된 부동액 유입파이프(112)를 통해 빙축열조의 프레임(110)에 유입된다.

상온의 축열재가 냉각되는 단계(S200)는 도 7에 도시된 바와 같이 캡슐형 축열매개체(130) 내부에 충진된 물이 부동액(160)과의 열교환으로 냉각된다. 물의 온도가 어는점인 0℃에 이르게 되면 캡슐형 축열매개체(130)의 상부부터 얼음결정이 생성되기 시작한다. 이때, 캡슐형 축열매개체(130)의 하부에 위치하는 물(150)은 액체상태에 있다.

축열재의 온도가 축열재의 어는점에 도달함을 온도센서가 감지하는 단계(S300)는 프레임(110) 내부에 설치되는 온도센서(129)가 캡슐형 축열매개체(130)에 충진된 물의 온도가 0℃에 도달하는 것을 감지하게 된다.

초음파 발생장치가 초음파 진동을 인가하는 단계(S400)는 초음파 발생장 치(120)가 온도센서(129)의 신호에 기초하여 37 ~ 45kHz의 발진 주파수를 갖는 초음파 진동을 가하게 된다. 초음파 진동은 도 7에 도시된 0℃의 물에 캐비테이션 현상을 발생시키게 된다. 캐비테이션 현상은 초음파 진동이 액체에 전파될 때 초음파 진동의 압력변화에 의해 미세 기포가 생성되고 소멸되는 현상으로 매우 큰 압력과 고온을 동반한다. 이 압력과 고온은 수 백분의 1초에서 수천 분의 1초 단위의 짧은 시간 동안 발생한다. 이때, 초음파 발생장치(120)는 계속적으로 초음파 진동을 인가할 필요없이 소정시간(예를 들어, 30초 ~ 3분) 동안만 초음파 진동을 인가하게 된다.

축열재에 결정핵이 형성되는 단계(S500)는 어는점(0℃)에 도달한 물이 과냉각되기 전에 인가된 초음파 진동에 의해 결정핵이 형성된다. 즉, 캐비테이션 현상에 의해 발생된 기포가 터질 때의 압력 및 기포 내에서의 방전은 결정핵의 형성을 촉발시킨다.

아이스슬러리가 생성되는 단계(S600)는 결정핵을 중심으로 0.1 ~ 0.001mm의 입자경을 갖는 결정핵(미소 얼음결정)이 급격하게 성장하게 된다.

한편, 위에서 축열재의 과냉각 방지방법에 대해서 설명하였지만, 초음파 발생장치(120)는 해빙시 초음파 진동에 의한 캐비테이션으로 축열재의 해빙을 촉진시는 효과를 갖는다. 따라서, 해빙단계에서 소정시간(예를 들어, 30초 ~ 5분)동안 초음파 진동을 인가할 수도 있다. 이로 인해 축열재의 해빙을 촉진할 수 있어 냉방능력이 향상되는 이점이 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

도 1은 종래의 캡슐 방식의 빙축열조를 구비한 빙축열 냉방시스템을 도시한 개략도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 빙축열조를 도시한 사시도.

도 3은 도 2의 초음파 발생장치를 도시한 사시도.

도 4는 도 2의 캡슐형 축열매개체을 도시한 사시도.

도 5a는 도 4의 축열봉을 도시한 사시도.

도 5b는 도 4의 축열링을 도시한 사시도.

도 6은 도 4의 캡슐형 축열매개체가 그룹화 프레임에 탑재된 것을 도시한 사시도.

도 7은 초음파 발생장치에 의한 축열제의 과냉각 방지를 설명하기 위한 개략도.

도 8은 본 발명의 축열매개체와 종래의 축열매개체의 열교환 효율을 시뮬레이션하여 비교한 그림.

도 9는 본 발명의 축열매개체와 종래의 축열매개체의 열교환 효율을 비교한 그래프.

도 10은 본 발명에 따른 축열재의 과냉각 방지방법을 나타내는 블럭도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 빙축열조 110 : 프레임

120 : 초음파 발생장치 122 : 금속판

124 : 진동자 126 : 구동회로

128 : 제어부 129 : 온도센서

130 : 캡슐형 축열매개체 132 : 축열봉

134 : 축열링 140 : 그룹화 프레임

142 : 강선 150 : 물

152 : 얼음결정 154 : 아이스슬러리

Claims (19)

1. 빙축열 냉방시스템에 있어서,

   상기 빙축열 냉방시스템 내의 축열재에 초음파 진동을 인가하기 위한 초음파 발생장치를 구비한 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
2. 제1항에 있어서,

   상기 초음파 발생장치는 상기 축열제에 인접한 금속판; 상기 금속판의 일면에 부착된 진동자; 및 상기 금속판에 연결되어 상기 진동자에 구동전압을 인가하는 구동회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
3. 제2항에 있어서,

   상기 초음파 발생장치는 상기 축열재의 온도를 감지하는 온도센서; 및 상기 온도센서의 신호에 기초하여 상기 구동회로의 구동을 제어하는 제어부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
4. 제1항에 있어서,

   상기 초음파 발생장치는 37 ~ 45kHz의 발진 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
5. 제3항에 있어서,

   상기 초음파 발생장치는 상기 축열재가 수용되는 프레임의 일측에 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 빙축열조는 내부에 상기 축열재가 충진된 캡슐형 축열매개체로 채워지는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
7. 제6항에 있어서,

   상기 캡슐형 축열매개체는 측부에 요철이 형성된 봉형상의 축열봉; 및 상기 축열봉이 삽입되도록 내측 중앙에 삽입공이 관통되고 측부에 요철이 형성되어 상기 축열봉에 삽입되는 복수의 축열링;으로 조합된 원통형 모듈체인 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
8. 제7항에 있어서,

   상기 축열봉의 요철이 나사산으로 고르게 형성되어 상기 프레임 내부에서 유동하는 부동액과의 접촉면적이 증가되는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
9. 제7항에 있어서,

   상기 축열링에는 상하부에 복수의 이격돌기가 돌출 형성되어 상기 프레임 내부에서 유동하는 부동액의 접촉면적을 증가되는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
10. 제8항에 있어서,

    상기 축열봉과 상기 축열링은 섬유질이 삽입된 저밀도 폴리에틸렌을 재질로 하여 외피가 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
11. 제7항에 있어서,

    상기 프레임은 사각의 상자 형상인 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
12. 제11항에 있어서,

    상기 캡슐형 축열매개체는 수직으로 세워진 상태에서 그룹화프레임에 복수로 탑재되어 그룹화되고, 상기 그룹화프레임이 상기 프레임에 복수로 수용되는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
13. 제12항에 있어서,

    상기 초음파 발생장치는 상기 복수의 축열봉의 일단마다 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
14. 제11항에 있어서,

    상기 프레임은 스테인리스 스틸을 재질로 하는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
15. 제11항에 있어서,

    상기 프레임은 단열재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
16. 제15항에 있어서,

    상기 단열재는 아스팔트루핑의 방습처리가 된 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
17. 제11항에 있어서,

    상기 프레임 및 상기 금속판의 수평단면은 일변의 길이가 350 ~ 540mm인 정사각형상을 갖고, 상기 프레임(100)의 높이는 500mm ~ 700mm인 것을 특징으로 하는 초음파 발생장치를 갖는 빙축열조.
18. 빙축열 냉방시스템의 운전방법에 있어서,

    저온의 부동액이 빙축열조 내부에 유입되는 단계(S100);

    상온의 축열재가 상기 부동액과의 열교환으로 냉각되는 단계(S200);

    온도센서가 상기 축열재의 온도가 어는점에 도달함을 감지하는 단계(S300);

    상기 온도센서의 신호에 기초하여 초음파 발생장치가 초음파 진동을 상기 축열재에 인가하는 단계(S400);

    상기 결빙점에 도달한 축열재가 과냉각되기 전에 상기 인가된 초음파 진동에 의해 상기 축열재에 결정핵이 형성되는 단계(S500); 및

    상기 결정핵을 중심으로 결정이 성장하여 아이스슬러리가 생성되는 단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 축열재의 과냉각 방지방법.
19. 제17항에 있어서,

    상기 초음파 발생장치가 초음파를 인가하는 단계(S400)는 상기 초음파 발생장치가 소정시간 동안만 초음파를 인가하는 것을 특징으로 하는 축열재의 과냉각 방지방법.

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