KR20180020504A - 화학축열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 내부에 축열재를 수용하도록 이루어지고, 자동차 배기관의 외주에 설치되어 상기 배기관을 통과하는 배기가스로부터 열을 공급받아서 상기 축열재의 건조를 가능하게 하는 반응 챔버; 상기 반응 챔버에 연결되어, 열을 발생시키도록 상기 축열재에 물을 가하게 하는 저수조; 및 엔진 냉각수를 유동 가능하게 수용하고, 상기 반응 챔버에 연결되어 상기 발생된 열을 제공받는 엔진 냉각수 라인을 포함하고, 차량의 주행에 의해 외부의 공기를 유입 가능하게 하도록 상기 반응 챔버에는 유입구가 구비되고, 상기 공기에 의해 축열재를 건조시킨 후 상기 공기를 유출 가능하게 하는 유출구가 구비되는 것을 특징으로 하는 화학축열 장치를 제공한다.

Description

화학축열 장치{THERMOCHEMICAL HEAT STORAGE DEVICE}

본 발명은 화학축열 장치에 관한 것으로서, 배기가스의 높은 온도를 이용하여 발열을 가능하게 하여, 다용도로 활용 가능하게 하는, 화학축열 장치에 관한 것이다.

본 발명에서 사용되는 축열 장치는 화학축열 원리를 이용한 것이다. 화학축열 방식이란 두 물질 사이에서 일어나는 가역적인 흡열반응과 발열반응에서 흡수되거나 발생되는 열을 이용하는 열 저장 방법을 말한다. 화학축열 방식은 종전에 사용되는 현열축열 방식이나 잠열축열 방식보다 같은 크기의 축열조에서 저장할 수 있는 용량이 커서 앞으로의 활용 전망이 매우 밝은 기술이다.

뿐만 아니라, 화학축열 방식은 오랫동안 보관하여도 저장된 열용량의 손실이 없고 저장조를 단열재 등으로 단열할 필요가 없어 매우 실용적인 방식이다.

화학축열에 사용되는 화학물질에는 여러 가지가 있다. 그 중에서 실용적인 온도범위에 있는 물질들로서는 염화마그네슘, 염화칼슘 등의 염이 있으며, 이들 염과 물 혹은 수증기와의 반응(수화반응)을 이용하는 방식이 있다. 즉, 염화칼슘 수화물에 열을 가하면 물이 분리되어 수화물로부터 빠져 나오게 되고 무수염화칼슘으로 된다. 이렇게 형성된 무수염화칼슘을 보관해두었다가 필요할 때에 물 혹은 수증기를 가하게 되면 염화칼슘 수화물로 되면서 열을 발생시키게 되고 이 때 발생된 열을 난방이나 온수 등에 이용하는 것이다.

또한, 제올라이트의 흡착, 탈착반응열을 이용하는 방법도 있다. 이러한 방법은 제올라이트에 물이 흡착된 상태에서 열을 가하게 되면 물이 탈착되어 빠져 나오게 되고 이렇게 형성된 탈착된 제올라이트를 보관해두었다가 필요할 때에 물 혹은 수증기를 가하게 되면 물 혹은 응축된 수증기가 제올라이트에 흡착되면서 열을 발생시킨다. 이 때 발생되는 열을 난방이나 온수 등에 이용하는 것이다.

특히, 추운 날씨에 자동차 엔진의 시동을 걸 때 찬 엔진 및 윤활유로 인해 시동에 어려움이 있으며 시동 직후부터 엔진이 적정 수준으로 가열되기 까지 연비가 나쁘고 유해 배기가스가 많이 발생되는 단점이 있다. 이를 위해서는 엔진 시동 전에 일정 수준으로 엔진을 예열할 필요가 있는 데 이에 필요한 에너지는, 엔진이 아직 작동되고 있지 않기 때문에 별도로 준비되어야 한다.

현재는 엔진 시동 후 일정기간 엔진 워밍업을 위해 공회전으로 운전되고 있어 연료의 낭비가 많다.

엔진의 예열, 즉 엔진 냉각수의 예열을 위해서 엔진의 배기가스가 갖고 있는 배기열을 회수하여 예열하는 방법이 있을 수 있다(참고: 등록특허 10-1284536, 등록특허 10-1367320).

그러나, 엔진의 예열이 필요한 때는 오랜 시간 동안 엔진을 정지시켰다가 다시 가열하는 경우가 될 것이다. 추운 겨울철의 아침시간 등이 그 예가 될 수 있다. 이 경우에는 예열에 활용할 수 있는 엔진의 배기열 자체가 없는 경우이다.

이런 경우에 대비해서 엔진을 전기히터의 방법으로 예열하는 방법이 있을 수 있다(참고: 공개특허 10-2012-0038945). 하지만, 이 경우에는 추가적으로 전기 에너지가 소비되게 되어 실용적이라 할 수 없다.

또 하나의 다른 발명에서는 차량용 축열 열교환기를 이용하여 엔진의 워밍업과 실내 난방에 사용하도록 하는 열교환기가 있다(참고: 공개특허 10-2014-0077713). 하지만 축열장치에 대해 단열을 적절하게 하지 않으면 추운 겨울철 외기에 노출되어 냉각되어서 축열재 역할을 담당하는 상변화물질에서 상변화가 일어나게 되고 더 이상 축열기능을 할 수 없게 된다는 문제가 있다. 또한 축열용 열원을 엔진 냉각수로부터 얻는 방식으로서 배기가스가 갖고 있는 많은 열에너지를 활용하지 못한다는 문제가 있다.

본 발명의 일 목적은, 화학축열 방식에 의해 발생된 열을 엔진 예열에 활용할 수 있는 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은, 별도의 에너지원 없이도, 배기 가스의 폐열원을 활용하여 열을 발생시킬 수 있는 구조를 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명의 화학축열 장치는, 내부에 축열재를 수용하도록 이루어지고, 자동차 배기관의 외주에 설치되어 상기 배기관을 통과하는 배기가스로부터 열을 공급받아서 상기 축열재의 건조를 가능하게 하는 반응 챔버; 상기 반응 챔버에 연결되어, 열을 발생시키도록 상기 축열재에 물을 가하게 하는 저수조; 및 엔진 냉각수를 유동 가능하게 수용하고, 상기 반응 챔버에서 발생된 열을 제공받도록 상기 반응 챔버에 설치되는 엔진 냉각수 라인을 포함하고, 차량의 주행에 의해 외부의 공기를 유입 가능하게 하도록 상기 반응 챔버에는 유입구가 구비되고, 상기 공기에 의해 축열재를 건조시킨 후 상기 공기를 유출 가능하게 하는 유출구가 구비된다.

본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 차량의 주행 방향으로 상기 공기의 유입 및 유출을 가능하게 하도록 상기 유입구 및 유출구는 상기 차량의 주행 방향과 나란한 방향으로 상기 반응 챔버의 양 단에 형성된다.

본 발명과 관련된 다른 일 예에 의하면, 상기 반응 챔버는 상기 자동차 배기관에 탈착 가능하도록 두 개의 부재로 형성된다.

본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 상기 반응 챔버의 내부에는 상기 저수조에 연결되어 상기 축열재로 물을 분사시키는 물 공급부가 설치된다.

상기 물 공급부는, 상기 축열재가 건조된 후에, 상기 축열재로 물을 분사시킬 수 있다.

본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 상기 반응 챔버에는 내부에 냉매를 수용하고 상기 반응 챔버에서 발생된 열을 제공받는 열 공급 라인이 더 설치되고, 상기 열 공급 라인 및 상기 엔진 냉각수 라인은 적어도 일부가 인접하도록 배치되어 상기 열 공급 라인 및 상기 엔진 냉각수 라인 사이에서 열 교환 가능하다.

본 발명의 화학축열 장치는 배기관을 통해 배출되는 배기가스 의 매우 높은 온도 열원을 활용할 수 있으며, 통상 버려지는 폐열원을 활용한다는 장점이 있다.

본 발명의 화학축열 장치는 높은 배기가스의 온도를 활용하는 화학축열 방식한 축열방식이다. 또한, 본 발명의 화학축열 장치는 축열장치에 단열재로 보온할 필요가 없어 추운 겨울날씨에도 동작할 수 있다.

본 발명의 화학축열 장치는 필요시에 축열재로 물을 분사시키면 열이 즉시 발생하는 원리로서 엔진 예열을 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 화학축열 장치는 별도의 송풍장치가 없이도, 자동차 주행에 의해 반응 챔버 내부로 외기를 유입시켰다가 외부로 배출될 수 있다.

또한, 본 발명의 화학축열 장치는 자동차의 실내난방에도 이 저장된 열을 이용할 수 있으며, 탈부착이 가능하게 하여 다른 장소로 이동하여서도 난방열 등의 별도의 열원으로 활용할 수 있는 점 등 다양하게 활용 가능하다.

도 1은 본 발명의 화학축열 장치를 도시하는 개념도.
도 2는 도 1의 반응 챔버의 일 예를 도시하는 사시도.
도 3은 도 1의 반응 챔버의 다른 일 예를 도시하는 사시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "구비한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 화학축열 장치(100)를 도시하는 개념도이다.

이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 화학축열 장치(100)에 대하여 서술한다.

이하에서 서술되는, 본 발명의 화학축열 장치(100)는 주로 엔진 예열용 화학축열 장치(100)에 관하여 서술하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 화학축열 장치(100)는 차량 내부의 난방을 위한 화학축열 장치(100)일 수 있으며, 본 발명의 화학축열 장치(100)는 착탈 가능하도록 이루어져서 별도의 열원으로 활용될 수도 있다.

본 발명의 화학축열 장치(100)는 반응 챔버(10), 저수조(20) 및 엔진 냉각수 라인(40)을 포함한다.

반응 챔버(10)의 내부에는 축열재(11)가 수용된다. 본 발명의 축열재(11)는 일예로, 제올라이트 또는 염화칼슘일 수 있다. 본 발명에서는 축열재(11)에 외부 공기를 공급 가능하도록 하고, 배기가스에 의해 외기를 가열시킴으로써 축열재(11)를 건조시키고, 물과 반응하여 열을 발생시키게 된다.

반응 챔버(10)는 자동차 배기관(3)의 외주에 설치되어, 배기관(3)을 통과하는 배기가스로부터 열을 공급받는다. 따라서, 반응 챔버(10)의 내부로 유입되는 공기는 배기가스의 열에 의해 가열될 수 있고, 축열재(11)는 건조되게 된다.

한편, 반응 챔버(10)에는 유입구(13) 및 유출구(15)가 구비된다. 유입구(13)로 외부의 공기가 유입되는데, 이는 차량의 주행에 의해 별도의 송풍 장치 없이도 외기의 유입이 가능하다. 또한, 유출구(15)로는 축열재(11)를 건조시켜서 습기를 머금은 습공기가 유출된다.

유입구(13) 및 유출구(15)는 반응 챔버(10)에 차량의 주행 방향과 나란한 방향으로 반응 챔버(10)의 양 단에 형성될 수 있는데, 이로 인해 차량의 주행에 따라 원활한 외기의 유입 및 유출 가능하게 되고, 배기가스 열에 의해 유입된 외기는 가열되고, 축열재(11)는 건조된다. 유입구(13) 및 유출구(15) 반응 챔버(10)의 양 단에 절개되어 형성될 수 있다.

저수조(20)는 반응 챔버(10)에 연결되어 축열재(11)에 물을 가하게 한다. 한편, 저수조(20)에는 물 공급부(25)가 연결될 수 있는데, 물 공급부(25)는 반응 챔버(10) 내부에 설치되어 축열재(11)로 물을 분사한다. 물 공급부(25)는 분사노즐을 포함할 수 있다.

구체적으로, 가열된 외기에 의해 축열재(11)가 건조된 후의 상태가 되면, 물 공급부(25)를 통해서 저수조(20)에 저장되어 있던 물을 건조된 축열재(11)로 공급하여 열을 발생시키도록 할 수 있다.

엔진 냉각수 라인(40)은, 엔진 냉각수를 수용하여 유동 가능하게 하고, 발생된 열을 제공받도록 반응 챔버(10)에 연결된다.

한편, 반응 챔버(10) 사이에 열 공급 라인(30)이 더 설치될 수 있다. 열 공급 라인(30)은 내부에 냉매를 수용하여, 반응 챔버(10)에서 발생된 열을 제공받도록 반응 챔버(10)와 열교환한다. 열 공급 라인(30)의 반응 챔버(10) 측의 단부는 표면적을 넓게 하기 위해 구부러진 형상으로 이루어져 반응 챔버(10)와 열 교환시 열효율을 향상시킬 수 있게 한다.

열 공급 라인(30) 및 엔진 냉각수 라인(40)은 적어도 일부(30a, 40a)가 서로 인접하도록 배치되어 반응 챔버(10)로부터 제공된 열을 엔진 냉각수 라인(40)에 공급한다. 한편, 열 공급 라인(30)에는 순환펌프(35)가 설치되어 냉매의 원활한 유동을 가능하게 한다.

반응 챔버(10)에 발생된 열은 열 공급 라인(30)을 통해서 엔진 냉각수 라인(40)에 공급되게 된다. 한편, 엔진 냉각수 라인(40)에 공급된 열은, 엔진에 공급되어 엔진의 예열을 위하여 쓰이거나 라디에이터에 공급되어 차량 내부의 난방을 위하여 이용되게 된다.

도 2는 도 1의 반응 챔버(10)의 일 예를 도시하는 사시도이고, 도 3은 도 1의 반응 챔버(10)의 다른 일 예를 도시하는 사시도이다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 반응 챔버(10)의 형상에 대해서 서술하기로 한다.

도 2를 참조하면, 반응 챔버(10)는 제1 및 제2부재(17, 19)로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2부재(17, 19)는 자동차 배기관(3)에 결합 가능하도록 속이 빈 원통형의 형상으로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2부재(17, 19) 각각의 내부에는 축열재(11)가 수용되게 된다. 제1 및 제2부재(17, 19)는 자동차 배기관(3)에 탈착 가능하게 결합될 수 있는데, 이로 인해, 내부의 축열재(11)를 배기가스 열에 의해 건조시킨 후에, 제1 및 제2부재(17, 19)는 자동차 배기관(3)으로부터 각각 분리되어, 난로 등의 별도의 열원으로 활용할 수 있다.

도 3을 참조하면, 반응 챔버(10)는 일 면에 형성되는 접촉부(18)를 구비하는, 육방체의 형상으로 이루어질 수 있다. 육방체의 형상의 반응 챔버(10)는 자동차 배기관(3)에 결합되는데 접촉부(18)가 자동차 배기관(3)의 외주에 접촉하여서 배기가스의 열을 공급받도록 한다. 육방체 형상의 반응 챔버(10) 역시 자동차 배기관(3)에 탈착 가능하게 결합되어 별도의 열원으로 활용될 수 있는 점은 도 2에서 서술된 내용과 같다.

이상에서 설명한 화학축열 장치(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

100 : 화학축열 장치
3 : 자동차 배기관
10 : 반응 챔버
11 : 축열재
13 : 유입구
15 : 유출구
17 : 제1부재
19 : 제2부재
18 : 접촉부
20 : 저수조
25 : 물 공급부
30 : 열 공급 라인
35 : 순환펌프
40 : 엔진 냉각수 라인

Claims (6)

1. 내부에 축열재를 수용하도록 이루어지고, 자동차 배기관의 외주에 설치되어 상기 배기관을 통과하는 배기가스로부터 열을 공급받아서 상기 축열재의 건조를 가능하게 하는 반응 챔버;
   상기 반응 챔버에 연결되어, 열을 발생시키도록 상기 축열재에 물을 가하게 하는 저수조; 및
   엔진 냉각수를 유동 가능하게 수용하고, 상기 반응 챔버에서 발생된 열을 제공받도록 상기 반응 챔버에 설치되는 엔진 냉각수 라인을 포함하고,
   차량의 주행에 의해 외부의 공기를 유입 가능하게 하도록 상기 반응 챔버에는 유입구가 구비되고, 상기 공기에 의해 축열재를 건조시킨 후 상기 공기를 유출 가능하게 하는 유출구가 구비되는 것을 특징으로 하는 화학축열 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 차량의 주행 방향으로 상기 공기의 유입 및 유출을 가능하게 하도록 상기 유입구 및 유출구는 상기 차량의 주행 방향과 나란한 방향으로 상기 반응 챔버의 양 단에 형성되는 것을 특징으로 하는 화학축열 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 반응 챔버는 상기 자동차 배기관에 탈착 가능하도록 두 개의 부재로 형성되는 것을 특징으로 하는 화학축열 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 반응 챔버의 내부에는 상기 저수조에 연결되어 상기 축열재로 물을 분사시키는 물 공급부가 설치되는 것을 특징으로 하는 화학축열 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 물 공급부는, 상기 축열재가 건조된 후에, 상기 축열재로 물을 분사시키는 것을 특징으로 하는 화학축열 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 반응 챔버에는 내부에 냉매를 수용하고 상기 반응 챔버에서 발생된 열을 제공받는 열 공급 라인이 더 설치되고,
   상기 열 공급 라인 및 상기 엔진 냉각수 라인은 적어도 일부가 인접하도록 배치되어 상기 열 공급 라인 및 상기 엔진 냉각수 라인 사이에서 열 교환 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학축열 장치.
   

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