KR20160013821A - 결정된 양의 열을 저장 및 방출하도록 구성된 부품을 포함하는 축열기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 결정된 양의 열을 저장 및 방출하도록 구성된 축열기(10)에 관한 것이며, 용기(11)와, 상기 용기 내에 봉입된 저장 코어를 포함하며, 상기 저장 코어는 결정된 양의 열을 저장 및 방출하도록 구성된 적어도 하나의 부품(20)을 포함하며, 상기 부품은 원통형 형상의 캡슐에 둘러싸인 상 변화 물질(Phase Change Material : PCM)을 포함한다.

Description

결정된 양의 열을 저장 및 방출하도록 구성된 부품을 포함하는 축열기{THERMAL STORE COMPRISING A COMPONENT SUITED TO STORING AND RELEASING A DETERMINED QUANTITY OF HEAT}

본 발명은, 결정된 양의 열을 저장 및 방출하도록 구성된 부품, 특히 상 변화 물질(Phase Change Material : PCM)의 형태인 부품을 포함하는 축열기(thermal store)에 관한 것이다. 특히 축열기는 자동차에 사용하기에 적합하다.

결정된 양의 열을 저장 및 방출하도록 구성된 부품을 포함하는 장치를 사용하는 것은 본 기술 분야에 이미 공지되어 있다. 이러한 장치는 특히 예를 들어 축열기의 형태로 자동차에서 이용된다.

축열기는 예를 들어 열 에너지로 작동하는 그리고 전기 에너지로 작동하는 엔진과 조합되는 하이브리드 자동차, 특히 자동차의 내부로 가열 시스템을 거쳐서 열을 확산시키는데 사용된다. 또한, 이러한 형태의 축열기는 열 전달 유체, 엔진 오일 또는 자동 변속기유(automatic transmission fluid)를 사전가열하는데 사용될 수 있으며, 이것은 상기 자동차의 저온 시동(cold-starting) 이전에 실행된다.

축열기가 전기 자동차에 사용될 때, 상기 축열기는 이론적으로 전기 배터리의 충전 동안에 충전된다. 전기 배터리는 상기 전기 자동차를 추진하는데 사용된다. 전기 자동차가 다시 이후에 추진되는 경우, 축전기에 저장된 열 에너지는 자동차 내의 가열 시스템이 스위치-온 될 때 사용될 수 있다. 자동차 내부를 가열하기 위한 가열 시스템은 열 전달 유체와 같은 유체를 이용하여 작동된다. 자동차 내부를 가열하기 위해서, 열 전달 유체가 자동차 내부의 내측으로 전달되게 하는 가열 라디에이터의 내측을 통해 통과되기 전에 축열기는 열 전달 유체를 가열시킨다. 따라서, 축열기에 의해 공급된 에너지는 전기 배터리에 의해 저장된 대응 에너지의 저장을 가능하게 한다. 즉, 자동차 내부 내의 가열을 작동시키는 것은 전기 자동차의 자동주행성에 영향을 주지 않는다.

하이브리드 자동차에 축열기를 사용하면 한편으로는 전기 배터리가 충전되는 동안에 열 에너지를 저장할 수 있게 하며 그리고 다른 한편으로는 하이브리드 자동차 엔진이 열 모드로 전환될 때 열 전달 유체를 이용하는 축열기를 재충전할 수 있게 한다.

내연 기관을 구비한 자동차에 축열기를 사용하는 경우, 축열기에 저장된 열 에너지는 상기 자동차의 조기 작동 동안에 발생된 에너지로부터 나온다. 예를 들면, 엔진 또는 자동 변속기를 냉각시키는데 사용된 유체는 축열기를 충전하는데 사용될 수 있다. 종래의 사용 동안에 자동 변속기유는 결정된 양의 열을 발산하는 일이 발생된다. 상기 결정된 양의 열은 축열기에 저장될 수 있으며, 다음에 자동차가 엔진 오일의 및/또는 자동 변속기유의 온도를 신속하게 상승시키게 하기 위해서 시동될 때 사용되며, 그에 따라 상기 오일의 점성에 의해 야기되는 마찰을 감소시킨다. 온도를 보다 낮추면 오일의 점성이 보다 높게 되는 일이 발생된다. 만일 오일의 온도가 신속하게 상승되지 않는다면, 특히 자동 변속기유가 관련이 있는 한에 있어서는, 마찰은 자동차의 사용의 최초 몇 분 동안에 과잉 연료 소비를 초래한다. 축열기는 자동 변속기유 회로, 열 전달 유체 회로 또는 엔진 오일 회로에 사용될 수 있다.

종래 기술은 열을 상 변화 물질(Phase Change Material : PCM)과 같은 재료 내에 저장될 수 있는 축열기를 개시하고 있다. PCM 타입의 재료는 일반 규칙으로서 과립의 형태로 합체되어 있다. 과립은 균일한 복합 재료로 또는 쉘 케이싱 내에 봉입된 PCM 타입의 재료로 제조될 수 있으며, 쉘 케이싱의 재료의 성질은 PCM 타입의 재료의 성질과 상이하다. 따라서, 쉘 케이싱은 금속 또는 플라스틱으로 제조될 수 있다.

종래 기술에 사용된 PCM 타입의 재료의 다양한 타입의 패키징은 하기의 곤란한 점을 발생시킨다:

- PCM 타입의 재료의 체적과 봉입에 요구되는 재료의 체적 사이의 너무 낮은 비율로 인해서 결정된 양의 열을 저장하기에 제한된 용량,

- 복합재 타입의 PCM 타입의 재료가 열 전달 유체에 의해 분산되고, 그에 따라 보유 그리드가 막히는 것을 방지하기 위해서 블루 스폰지(blue sponge) 타입의 장치의 사용을 수반,

- 열 전달 유체와 PCM 타입의 재료 사이의 열 교환의 효율을 크게 제한하는 침강 현상(sedimentation phenomenon).

사용되는 이러한 장치의 효율을 향상시키기 위해서, 저장 능력을 향상시키고 축열기 내의 결정된 양의 열의 방출을 향상시킬 수 있는 변형예가 요구되는 것이 자명하다.

본 발명에 따르면, 결정된 양의 열의 저장 및 방출을 허용하는 장치는 열 저장 선택사항을 개선시키고, 그리고 특히 PCM 타입의 재료를 포함하는 부품 내에 결정된 양의 열을 저장하는 것이 요구된다.

이러한 목적을 위해서, 본 발명은 결정된 양의 열을 저장 및 방출하도록 구성된 축열기(thermal store)에 관한 것이며, 용기와, 상기 용기 내에 봉입된 저장 코어를 포함하며, 상기 저장 코어는 결정된 양의 열을 저장 및 방출하도록 구성된 적어도 하나의 부품을 포함하며, 상기 부품은 원통형 형상의 캡슐에 둘러싸인 상 변화 물질(Phase Change Material : PCM)을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 저장 코어는 서로 평행하게 위치된 복수의 부품들을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 부품들은 지지 요소들에 의해 용기 내측에 보지되며, 상기 부품들의 단부들은 상기 지지 요소들에 고정되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 축열기는, 유체가 축열기의 유입구와 유출구 사이에서 순환할 때 유체를 안내하며 그리고 상기 유체에 경로를 부여하는 가이드 요소를 구비한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 부품은 결정된 양의 상 변화 물질(Phase Change Material : PCM)을 포함하며, 상 변화 물질은 실린더의 형상인 튜브 내측에 수용되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 실린더의 형상의 상기 튜브는 열 용접에 적합한 재료를 포함한다.

본 발명의 목표, 목적 및 특징과 그 장점은 본 발명에 따른 결정된 양의 열을 저장 및 방출하기 위한 축열기의 몇몇 바람직한 실시예의 하기의 설명을 읽으면 보다 명확해지며, 하기 설명은 도면을 참조하여 제공되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 축열기의 분해 사시도이다.
도 2는 축열기 내측에서의 열을 저장 및 방출하기 위한 부품을 고정시키기 위한 축열기의 일 실시예의 상세도이다.
도 3 내지 도 5는 열을 저장 및 방출하기 위한 축열기 내의 부품의 특정 구성의 실시예를 도시하는 것으로서, 도 1 및 도 2에 따른 축열기의 단면도이다.

하기의 상세한 설명은 특히 실시예를 이용하여 충분히 명료하고 완전한 방식으로 본 발명을 설명하는데 목적이 있지만, 모든 경우에 이하에 제공된 특정 실시형태들 및 실시예들에 대한 보호 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.

본 발명은 결정된 양의 열을 저장하고 그리고 열 전달 유체와 같은 유체와 상기 열을 교환하기에 적합한 모든 방법을 가리키는데 용어 "부품(component)"을 언급하는 것을 이해해야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 축열기(10)의 분해 사시도이다. 축열기(10)는 상기 축열기(10)의 외부 벽을 형성하기 위한 용기(11)를 포함한다. 도 1에 따르면, 용기(11)는 실린더의 형태를 취한다. 축열기(10)는 적어도 하나의 유입구(12)를 구비한다. 따라서, 축열기(10) 내측에 존재하는 요소들과 열을 교환하도록 구성된 유체는 유입구(12)를 거쳐서 축열기(10)에 유입될 수 있다. 축열기(10)는 상기 유체를 위한 적어도 하나의 유출구(13)를 구비하고 있다. 따라서, 유체는 유출구(13)를 거쳐서 축열기(10)를 빠져나갈 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 축열기(10)는 결정된 양의 열을 저장 및 방출하도록 구성된 하나 이상의 코어의 형태로 존재하는 하나 이상의 부품(20)을 축열기 내에 구비하고 있다. 각각의 부품(20)은 축열기의 유입구(12)로부터 유출구(13)를 향해서 순환하는 유체와 열을 교환할 수 있다. 유체가 순환할 때, 상기 유체는 또한 다양한 부품(20)과 열을 교환할 수 있다. 만일 유체가 부품(20)보다 높은 온도에 있다면, 상기 부품(20)은 결정된 양의 열을 저장할 수 있고, 따라서 상기 유체의 온도를 감소시킨다. 대안적으로, 만일 유체가 부품(20)의 온도보다 낮은 온도에 있다면, 상기 유체는 부품(20) 내에 저장된 결정된 양의 열을 이용하여 가열될 수 있고, 이것은 상기 열이 유체로 방출 및 전달되는 것을 가능하게 한다.

본 발명에 따르면, 결정된 양의 열의 저장 및 방출을 허용하는 부품(20)은 상 변화 물질(Phase Change Material : PCM)을 포함한다. 의미상, PCM 타입의 재료는 그 고체 상태에서 결정체를 포함할 수 있으며, 결정된 양의 열을 수용하면, 상이 변경되어 액체 상태가 된다. 또한, 액체 상태인 PCM 타입의 재료는 보다 낮은 온도의 유체와 접촉시에 상기 유체로 전달될 수 있는 상대적으로 많은 양의 열을 포함하며, 그에 따라 유체가 그 최초 고체 상태로 되돌아간다.

본 발명에 따른 축열기(10) 내에 존재하는 부품(20)은 종방향 형상을 갖고 있다. 즉, 각 부품(20)은 그 직경보다 큰 길이의 튜브의 형태를 취하고 있다. 다양한 부품(20)들은, 한편으로는 축열기(10)의 내부 공간의 충전을 최적화하는 방식으로 그리고 다른 한편으로는 상기 축열기(10) 내에서 유입구(12)로부터 유출구(13)를 향해서 유체가 이동하는 것을 허용하는 방식으로 서로의 옆에 위치되며, 그에 따라 다양한 부품(20)들과의 열의 교환을 조장한다.

다양한 부품(20)들이 축열기(10) 내측에서 서로에 대해서 위치되는 경우, 가이드 요소(14, 15)가 축열기(10) 내에 위치되어, 도 1에 도시된 바와 같이 유체의 순환에 대한 장애물을 형성한다. 가이드 요소(14, 15)는 축열기(10)의 유입구(12)로부터 유출구(13)를 향해서 순환하는 유체에 특정의 경로를 부여한다. 가이드 요소(14, 15)는 유체가 통과되게 되는 경로를 길게 할 수 있다. 따라서, 다양한 부품(20)들과 축열기(10)를 통해 순환하는 유체 사이에서의 열의 교환이 개선된다. 가이드 요소(14, 15)에 의해 부여된 경로는 점선(16)을 이용하여 도 1에 개략적으로 도시되어 있다.

도 2는 다양한 부품(20)들의 단부들의 고정부의 일 실시예를 도시하고 있다. 도 2는 축열기(10)의 유입구(12)와, 용기(11)의 일부분을 개략적으로 도시하고 있다. 매니폴드와 같은 지지 요소(30)는 축열기(10) 내측에 존재한다. 다양한 부품(20)들의 단부들은 파지, 클림핑 또는 접착의 방법과 같은 적절한 방법에 의해서 지지 요소(30)에 고정되어 있다. 적절한 방법에 의해 다양한 부품(20)들이 축열기(10) 내측에 정렬될 수 있게 하여, 부품(20)들의 단부들과 지지 요소(30) 사이에서의 밀봉을 보장한다.

변형예로서, 부품(20)들은 또한 재료를 절단함이 없이 매니폴드와 같은 지지 요소(30)의 하나의 개구부로부터 다른 개구부까지 길이방향으로 부품들에 나사형성함으로써 지지 요소(30)에 의해 보지될 수 있음을 이해해야 한다.

도 3 내지 도 5는 축열기(10) 내측의 부품(20)들의 다양한 상이한 공간 구성부를 도시하는 것이다. 부품(20)들의 공간 구성부의 타입은 열 전달 유체의 유동 체적과, 축열기(10) 내측에 존재하는 부품(20)들의 양에 영향을 미친다. 결과적으로, 축열기(10) 내측에 저장된 에너지량은 변동되며, 압력 강하 및 대류 계수는 부품(20)들의 공간 구성부에 따라서 변경될 수 있다.

본 발명에 따르면, 다양한 부품들은 튜브와 같은 원통형 형상의 재료로 둘러싸인 PCM 타입의 재료를 포함하며, 원통형 형상의 상기 재료는 바람직하게 열 용접에 적합한 플라스틱인 플라스틱 재료와 같은 모든 적당한 재료로 제조되는 것이 가능하다. 예를 들면 플라스틱으로 제조된 튜브 내측에는 PCM 타입의 재료가 있다. 본 발명의 일 양태에 따르면, PCM 타입의 다양한 부품들은 우선 결정된 길이의 최초 길이로부터 제조되며, 여기에서 PCM 타입의 상기 부품들은 원통형 형상의 재료를 이용하여 봉입된다. 따라서, PCM 타입의 부품은 필라멘트 또는 "스파게티(spaghetti)"를 형성하며, 플라스틱 재료는 필라멘트의 외측에 있으며, PCM 타입의 재료는 상기 필라멘트의 내측에 있다.

도 3은 PCM 타입의 재료의 튜브들이 정렬되는 공간 구성부를 도시하고 있다.

도 4는 PCM 타입의 재료의 튜브들이 엇갈린 구성으로 정렬되어 있는 하나의 공간 구성부를 도시하고 있다.

도 5는 PCM 타입의 재료의 튜브들이 원형 구성으로 정렬되어 있는 하나의 공간 구성부를 도시하고 있다.

PCM 타입의 재료의 양은 축열기(10) 내의 90%의 최대 충전 한계점에 도달할 수 있다. PCM 타입의 재료의 2개의 튜브 사이의 내축선 거리는 압력 강하 또는 특정 양의 저장된 에너지에 관한 억제부에 맞도록 채택될 수 있다.

축열기를 제조할 때, 형성된 최초 튜브는 제조될 상기 축열기의 내부 치수에 적합한 길이로 절단될 수 있다. 각 부품의 단부들은 균등한 기능이 얻어질 수 있도록 핫 나이프(hot knife) 또는 디바이스를 이용하는 열 용접에 의해 플러깅될 수 있다.

최초 튜브가 길이 방향으로 절단될 때, 그에 따라 얻어지는 개별 부품들은 도 3 내지 도 5에 도시된 공간 구성부에서 축열기 내에 배치되어 있다.

결정된 양의 열은 이러한 상 변화 물질(Phase Change Material : PCM)을 포함하는 부품 내측에 저장될 수 있다. 결정된 양의 열이 사용될 필요가 있을 때, 본 발명에 따른 장치는, 상기 장치가 유체 자체와 접촉될 때 상기 결정된 양의 열을 방출하여, 장치의 부품과 열 교환하도록 구성된다.

10 : 축열기
11 : 용기
14, 15 : 가이드 요소
20 : 부품

Claims (6)

1. 결정된 양의 열을 저장 및 방출하도록 구성된 축열기(thermal store)(10)에 있어서,
   용기(11)와, 상기 용기 내에 봉입된 저장 코어를 포함하며,
   상기 저장 코어는 결정된 양의 열을 저장 및 방출하도록 구성된 적어도 하나의 부품(20)을 포함하며,
   상기 부품은 원통형 형상의 캡슐에 둘러싸인 상 변화 물질(Phase Change Material : PCM)을 포함하는 것을 특징으로 하는
   축열기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 저장 코어는 서로 평행하게 위치된 복수의 부품(20)들을 포함하는 것을 특징으로 하는
   축열기.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 부품(20)들은 지지 요소들에 의해 상기 용기 내측에 보지되며, 상기 부품(20)들의 단부들은 상기 지지 요소들에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는
   축열기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 축열기(10)는, 유체가 상기 축열기의 유입구와 유출구 사이에서 순환할 때 유체를 안내하며 그리고 상기 유체에 경로(16)를 부여하는 가이드 요소(14, 15)를 구비하는 것을 특징으로 하는
   축열기.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 축열기(10) 내에서 결정된 양의 열을 저장 및 방출하도록 구성된 부품(20)에 있어서,
   상기 부품(20)은 결정된 양의 상 변화 물질(Phase Change Material : PCM)을 포함하며, 상기 상 변화 물질은 실린더의 형상인 튜브 내측에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는
   부품.
6. 제 5 항에 있어서,
   실린더의 형상의 상기 튜브는 열 용접에 적합한 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는
   부품.

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