KR20190022805A

KR20190022805A - 상변화 물질을 갖는 열 전지

Info

Publication number: KR20190022805A
Application number: KR1020197002703A
Authority: KR
Inventors: 카멜 아주즈; 미쉘 리스너; 줄리앙 티쏘
Original assignee: 발레오 시스템므 떼르미끄
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2017-06-05
Publication date: 2019-03-06
Also published as: FR3053449B1; EP3479046B1; EP3479046A1; CN210135817U; WO2018002462A1; FR3053449A1

Abstract

본 발명은 상변화 물질(5)을 내부에 포함하는 챔버를 형성하는 벽(100)을 포함하는 열 전지(1)에 관한 것이고, 상기 챔버는 유체 입구(3a) 및 유체 출구(3b)를 포함하고, 상기 유체 입구(3a) 및 출구(3b)는 유체를 순환시키도록 구성된 중공 섬유(7)의 다발에 의해 서로 연결되며, 상기 상변화 물질(5)은 상기 중공 섬유(7) 사이에 존재한다.

Description

상변화 물질을 갖는 열 전지

본 발명은 열 전지 분야, 보다 상세하게는 상변화 물질을 함유하는 열 전지에 관한 것이다.

열 전지는 일반적으로 자동차 내부, 특히 전기 및 하이브리드 차량을 가열하거나, 또는 대안적으로 열 관리 회로에서 열 전달 유체를 예열하기 위해 사용된다. 열 전지는 또한 내연 기관을 갖는 차량의 엔진 오일 또는 자동 변속기 유체(automatic transmission fluid)를 예열하기 위해 사용될 수도 있다.

도 1은 종래 기술의 상변화 물질(5)을 갖는 열 전지(1)를 도시한다. 이 열 전지는 상변화 물질(5)이 내측에 위치되는 챔버를 형성하는 벽(100)을 포함한다. 유체가 유체 입구와 유체 출구 사이를 순환하는 편평한 튜브(70)는 상변화 물질(5) 내의 챔버 내측에 배치된다. 편평한 튜브(70)는 스택(stack)을 형성하고, 상기 편평한 튜브(70) 사이에 핀(72)이 위치한다.

그러나, 종래 기술의 이러한 유형의 열 전지(1)의 경우, 금속으로 제조된 편평한 튜브(70) 및 핀(72)에 의지하는 것은 열 전지의 전체 질량에 해롭다. 게다가, 심지어 핀(72)이 존재하는 경우에도, 열 확산 및 유체 및 상변화 물질(5) 사이의 열전달은 최적이 아닌 것으로 판명될 수도 있다. 특히, 핀(72)과 상변화 물질 사이에 있을 수 있는 최대 거리 때문에 열 전달을 제어하는 것은 핀(72)의 간격이다.

그러므로, 종래 기술의 단점을 적어도 부분적으로 극복하고 향상된 열 전지를 제안하는 것이 본 발명의 목적 중 하나이다.

그러므로, 본 발명은 상변화 물질을 내부에 포함하는 챔버를 형성하는 벽을 포함하는 열 전지에 관한 것이고, 상기 챔버는 유체 입구 및 유체 출구를 포함하고, 상기 유체 입구 및 출구는 유체를 순환시키도록 구성되는 중공 섬유의 다발에 의해 서로 연결되며, 상기 상변화 물질은 상기 중공 섬유 사이에 존재한다.

열 전지 내의 유체의 순환을 위해 중공 섬유를 사용하면, 특히, 중공 섬유의 분포를 균일하게 하므로, 상변화 물질을 통한 유체의 순환을 균등하게 할 수 있게 한다. 그 결과, 상변화 물질이 중공 섬유로부터 멀리 있는 열 전지의 챔버 내의 영역이 존재한다고 해도 아주 적기 때문에 열 전지가 보다 용이하게 수행된다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 중공 섬유는 중합체로 제조된다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 중공 섬유는 상기 챔버의 용적 전체를 통해 무질서하게 분포된다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 중공 섬유는 0.4㎜ 내지 1㎜, 특히, 0.4㎜ 내지 0.6㎜에 포함된 직경을 갖는다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 중공 섬유는 0.025㎜ 내지 0.1㎜에 포함된 벽 두께를 갖는다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 중공 섬유 다발은 1000개 초과의 중공 섬유의 개수를 포함한다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기 열 전지는 하나의 동일한 단면에 걸쳐서, ㎡ 당 50만개 내지 150만개, 바람직하게는, ㎡ 당 80만개 내지 120만개에 포함되는 중공 섬유의 밀도를 포함한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점이 예시적이고 비제한적인 예로서 제공되는 하기 설명을 읽고서, 그리고 첨부된 도면을 검토하는 것으로부터 더 분명하게 명백해질 것이다.

도 1은 종래 기술의 열 전지의 개략적인 단면 사시도,
도 2는 열 전지의 개략적인 측단면도,
도 3은 하나의 중공 섬유의 개략적인 단면도,
도 4 및 도 5는 다양한 실시예에 따른 열 전지의 도면.

다양한 도면에서, 동일한 요소는 동일한 참조 부호를 부여한다.

이하의 실시예는 단지 예일 뿐이다. 설명이 하나 이상의 실시예를 언급하지만, 반드시 각각의 참조가 동일한 실시예와 관련되거나, 그 특징이 하나의 단일 실시예에만 적용된다는 것을 의미하는 것은 아니다. 상이한 실시예의 간단한 특징은 또한, 다른 실시예를 형성하기 위해 결합될 수도 있다.

도 2는 상변화 물질(5)을 내부에 포함하는 챔버를 형성하는 벽(100)을 포함하는 본 발명에 따른 열 전지(1)를 도시한다. 상변화 물질(5)은 상기 챔버를 채우고, 특히 -10 ℃ 내지 110 ℃에 포함되는 전이 온도를 갖는 상변화 물질(5) 중에서 선택될 수도 있다. 보다 상세하게는, 이 온도는 열을 저장하도록 구성된 열 전지(1)를 위해 50 ℃ 내지 80 ℃에 포함되거나, 전지(electric batteries)의 열 관리를 개선하도록 구성된 열 전지를 위해 20 ℃ 내지 40 ℃에 포함되거나, 냉기(cold)를 저장하도록 구성된 열 전지(1)를 위해 -10 ℃ 내지 25 ℃에 포함될 수도 있다. 높은 에너지 저장 능력(energy storage capacity)을 보장하기 위해, 상변화 물질(5)은 100 kJ/㎏ 내지 300 kJ/㎏에 포함된 잠열을 가질 수도 있다.

챔버의 벽(100)은 금속 또는 중합체로 제조될 수도 있다. 상기 벽(100)은 또한 단열된 외부 커버링(covering)을 포함할 수 있다.

열 전지(1)의 챔버는 중공 섬유(7)의 다발에 의해 서로 연결되는 유체 입구(3a) 및 유체 출구(3b)를 포함한다. 중공 섬유(7)의 다발은 상변화 물질(5)을 통과하고, 그에 따라 상변화 물질(5)은 중공 섬유(7) 사이에 존재한다.

열 전지(1) 내의 유체의 순환을 위해 중공 섬유(7)를 사용하면, 특히 중공 섬유(7)의 분포를 균일하게 하여 상변화 물질(5)을 통한 유체의 순환을 균일하게 할 수 있게 한다. 그 결과, 상변화 물질(5)이 중공 섬유로부터 멀리 있는 열 전지(1)의 챔버 내의 영역이 존재한다고 해도 아주 적기 때문에, 열 전지(1)가 보다 용이하게 수행한다. 특히, 유체와 상변화 물질(5) 사이의 열 에너지의 확산은 상기 상변화 물질(5)에 고유한 열전도율에 의해 늦어질 수 있다. 따라서, 상변화 물질(5)이 두꺼울수록 이 전체 두께에 걸쳐 열 에너지의 확산이 더 오래 걸릴 것이다.

중공 섬유(7)는 바람직하게는 중합체, 예를 들면, 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC) 또는 심지어 폴리아미드(PA)로 제조된다. 이는 특히 통과하는 유체에 대해 불투과성(impermeable)인 중공 섬유(7)를 갖는 것을 가능하게 한다. 게다가, 이러한 물질은 미세 직경(fine diameter)의 경우, 가요성인 중공 섬유(7)를 구비하여, 이에 의해 중공 섬유(7)가 열 전지(1)의 챔버 내의 어딘가에 위치될 수 있게 한다. 따라서, 중공 섬유(7)는 상기 챔버의 용적 전체를 통해 무질서하게 분포될 수도 있다.

또한, 중합체로 제조된 중공 섬유(7)를 사용하면, 마찬가지로 금속으로 제조된 핀(72)을 갖는 금속 튜브(70)의 다발을 사용하는 종래 기술의 열 전지(1)에 비해 열 전지(1)의 중량을 저감할 수 있게 된다.

열 전지(1)는 특히 하나의 동일한 단면에 걸쳐서, ㎡ 당 50만개 내지 150만개, 바람직하게는 ㎡ 당 80만개 내지 120만개에 포함되는 중공 섬유(7)의 밀도를 포함할 수도 있다. 이러한 밀도를 얻기 위해, 중공 섬유(7)는 유체 입구(3a)와 유체 출구(3b)를 분리하는 거리보다 긴 길이를 갖는다. 유체 입구(3a)로부터 유체 출구(3b)를 향해, 중공 섬유(7)는 굴곡진 경로(sinuous path)를 갖고, 열 전지(1)의 챔버 내에서 하나의 동일한 단면을 통해 수 회 통과할 수도 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 중공 섬유(7)는 0.4 ㎜ 내지 1 ㎜, 특히 0.4 ㎜ 내지 0.6 ㎜에 포함된 직경(D)을 갖는다. 중공 섬유(7)는 또한 0.025 ㎜ 내지 0.1 ㎜에 포함된 벽 두께(e)를 갖는다. 이러한 치수는 중공 섬유(7)의 내경(d)이 이들의 크기에 비해 큰 채로 있음을 의미한다. 이들 치수는 보다 상세하게는, 열 전지(1)의 챔버 내의 중공 섬유(7)의 개수를 일반적으로 1000개 이상으로 크게 증가시킬 수 있게 하며, 또한 상변화 물질(5)과 유체 사이의 교환을 위한 표면적을 증가시킬 수 있게 한다.

게다가, 다양한 유체 순환 속도에 대해, 직경(D)을 작게 할수록 열전달 계수가 커진다. 상술된 치수에 대해, 중합체로 제조된 중공 섬유(7)의 열전달 계수는 두 유체 사이의 열 전달을 위해 2100 W/㎡K를 초과하는 값에 도달할 수도 있다.

도 1에 도시된 종래 기술의 열 전지(1)의 경우, 알루미늄으로 구성된 20개 정도의 편평한 튜브(70)의 스택으로 구성되고, 대략 80%의 챔버 내에서의 상변화 물질(5)의 충전 레벨을 가지며, 유체 통과를 위한 전체 보어 섹션은 대략 600 ㎟를 가질 수도 있다.

종래 기술의 이러한 동일한 전지(1)의 경우, 교환을 위한 내부 표면적(정확히 말하면, 유체와 직접 접촉하는 표면적, 즉, 이 경우에, 편평한 튜브(70)의 전체 내부 표면적)은 대략 0.26㎡일 수도 있다. 교환을 위한 외부 표면적(정확히 말하면, 상변화 물질(5)과 직접 접촉하는 표면적, 즉, 이 경우에, 핀(72)의 전체 외부 표면적과 결합되는 편평한 튜브(70)의 전체 외부 표면적)은 자체적으로 대략 2.7㎡일 수도 있다.

예를 들면, 도 2에 도시되고, 종래 기술의 열 전지(1)와 동일한 내부 용적을 갖고, 마찬가지로 대략 80%의 챔버 내에서 상변화 물질(5)로 충전되는 레벨을 갖는 본 발명에 따른 열 전지(1)의 경우, 중공 섬유(7)의 개수는 대략 8000개일 수도 있다. 그 다음에, 유체의 통과를 위한 전체 보어 섹션은 대략 1300 ㎟일 수도 있다.

교환을 위한 내부 표면적(말하자면, 유체와 직접 접촉하는 표면적, 즉, 이 경우에, 중공 섬유(7)의 전체 내부 표면적)은 자체적으로 대략 2.1㎡일 수도 있다. 교환을 위한 외부 표면적(정확히 말하면, 상변화 물질(5)과 직접 접촉하는 표면적, 즉, 이 경우에, 중공 섬유(7)의 전체 외부 표면적)은 마찬가지로 2.7㎡일 수도 있다.

따라서, 중공 섬유(7)의 사용과 이들의 많은 개수 때문에, 특히, 교환을 위한 더욱 큰 내부 표면적 때문에, 유체 및 상변화 물질(5) 사이의 교환을 위해 더욱 양호한 표면적이 존재한다. 이러한 교환을 위한 내부 표면적은 예를 들면, 종래 기술의 열 전지(1)에서 보다 10배 큰 요소일 수도 있다. 그러므로, 유체는 상변화 물질(5)과의 "직접" 교환을 위한 더욱 큰 표면적으로부터 이익을 얻으며, 편평한 튜브(70)의 열 에너지를 전달하는 것 이상은 아무것도 하지 않는 핀(72)과 같은 "간접" 교환을 위한 표면적을 통과하지 않는다.

게다가, 종래 기술의 열 전지(1)는 교환 및 열전달을 위한 외부 표면적을 증가시키기 위해 핀(72)의 사용을 필요로 한다. 본 발명에 따른 열 전지(1)의 경우, 교환을 위한 동등한 외부 표면적을 달성하기 위해 핀을 사용할 필요가 없다. 따라서, 열 전지(1)의 중량을 감소시키고 제조 비용을 저감시킬 수 있다.

더욱이 중공 섬유(7)의 사용과 이들의 많은 개수 때문에, 유체의 통과를 위한 전체 보어 섹션은 종래 기술의 열 전지(1)에 비해 증가되고, 이는 본 발명에 따른 열 전지(1)의 사용과 관련된 압력 강하를 크게 제한한다. 이러한 압력 강하의 감소는 특히 유체를 순환시키기 위해, 종래 기술의 열 전지(1)에서보다 덜 강력한 펌프 또는 압축기의 사용을 허용하므로, 더욱 소형화되고 보다 경제적이다.

제조 관점에서, 본 발명에 따른 열 전지(1)는 특히 예를 들면, 브레이징(brazing)을 사용하여 핀(72)을 갖는 튜브 다발(70)을 제조하는 단계를 피할 수 있게 한다.

본 발명에 따른 열 전지(1)의 제조 공정에 있어서, 중공 섬유(7)의 다발은 중공 섬유(7)가 상기 챔버 내에 무질서하게 배열되는 방식으로 상기 열 전지(1)의 챔버 내에 간단히 배치된다.

중공 섬유(7)의 다발 내에서 순환하는 유체는 예를 들면, 연소 기관 냉각 시스템을 위한, 충전 공기(charge air) 열 관리를 위한, 전지 열 관리를 위한, 하나 이상의 전기 모터를 위한, 예를 들면, 공기 조화 유닛과 같은 차량 내부 열 관리 시스템을 위한, 또는 대안적으로, 엔진 오일 또는 변속기 유체를 위한 열 전달 유체일 수도 있다.

중공 섬유(7)가 가요성이고, 무질서하게 챔버 내에 분포되기 때문에, 열 전지(1)는 예를 들면, 평행 육면체의 실린더(도 4에 도시됨)의 형태와 같은 다양한 형태, 또는 대안적으로 도 2 또는 도 5에 도시된 바와 같은 굽힘 또는 절두 영역을 포함하는 더욱 복잡한 형상을 채택할 수 있다. 열 전지(1)의 가능 형상의 관점에서의 이러한 융통성은 열 전지(1)의 형상이 자동차 내에 설치되도록 의도되는 위치, 예를 들면, 휠 아치 내, 범퍼 아래 또는 심지어 방향 지시등 아래에 적합하도록 순응되게 한다.

게다가, 중공 섬유(7)의 다발의 이러한 가요성 때문에, 유체 입구(3a) 및 출구(3b)는 자동차의 열 전지(1)의 형상 및 위치에 따라 가장 적절한 위치에 위치설정될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 열 전지(1)는 보다 용이하게 수행하고, 중공 섬유(7)의 다발의 사용의 결과로서 자동차에 통합되기가 더욱 용이하다는 것을 명확하게 알 수 있다.

Claims

상변화 물질(5)을 내부에 포함하는 챔버를 형성하는 벽(100)을 포함하는 열 전지(1)로서, 상기 챔버가 유체 입구(3a) 및 유체 출구(3b)를 포함하는, 상기 열 전지(1)에 있어서,
상기 유체 입구(3a) 및 유체 출구(3b)는 유체를 순환시키도록 구성되는 중공 섬유(7)의 다발에 의해 서로 연결되고, 상기 상변화 물질(5)은 상기 중공 섬유(7) 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는
열 전지.
제 1 항에 있어서,
상기 중공 섬유(7)는 중합체로 제조되는 것을 특징으로 하는
열 전지.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 중공 섬유(7)는 무질서하게 상기 챔버의 용적 전체를 통해 분포되는 것을 특징으로 하는
열 전지.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중공 섬유(7)는 0.4 ㎜ 내지 1 ㎜, 특히 0.4 ㎜ 내지 0.6 ㎜에 포함되는 직경(D)을 갖는 것을 특징으로 하는
열 전지.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중공 섬유(7)는 0.025 ㎜ 내지 0.1 ㎜에 포함되는 벽 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
열 전지.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중공 섬유(7)의 다발은 1000개 초과의 중공 섬유(7)의 개수를 포함하는 것을 특징으로 하는
열 전지.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 전지(1)는, 상기 열 전지(1)의 하나의 동일한 단면에 걸쳐서, ㎡ 당 50만개 내지 150만개, 바람직하게는 ㎡ 당 80만개 내지 120만개에 포함되는 중공 섬유(7)의 밀도를 포함하는 것을 특징으로 하는
열 전지.