KR20190029712A - 상 변화 물질을 이용하는 축열식 열 교환기 구조 - Google Patents

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Abstract

열 교환기(120, 200)는 동작 유체를 함유하도록 구성된 하우징(202)을 포함한다. 열 교환기는 또한 하우징 내부에 배치되고 동작 유체가 하우징 내에 있을 때 동작 유체에 의해 둘러싸이도록 배열된 복수 개의 챔버들(122,204)을 포함하며, 각 챔버는 동결 시 팽창하는 상 변화 물질(PCM)을 함유하도록 구성된다. 각 챔버의 벽들은 동작 유체 및 각 챔버 내의 PCM 사이에서의 열 에너지의 전달을 허용하는 높은 열 전도성 물질로 형성된다. 각 챔버의 벽들은 PCM이 동결 시 팽창함에 따라 챔버의 내부의 체적을 증가시키도록 변형되게 구성된 팽창 가능한 벨로우즈(302)를 포함한다.

Description

상 변화 물질을 이용하는 축열식 열 교환기 구조
본 개시는 일반적으로 축열식 열 교환기(thermal storage heat exchanger)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 상 변화 물질(phase change material)로서 얼음/물을 이용하는 축열식 열 교환기 구조에 관한 것이다.
열 교환기들은 열 에너지(종종 단순히 “열”로 지칭됨)가 한 위치에서 다른 위치로 이동되어야 하는 시스템들에서 광범위한 적용을 갖는다. 유사하게, 열 에너지 저장(TES) 열 교환기들은 과도한 열 에너지를 일시적으로 저장하고 나중에 에너지를 방출하는데 널리 사용된다. 이는 열적 “부하 평준화” (듀티 사이클 평균화)의 이점을 가지며, 소멸되어야 하는 열 부하를 감소시킨다. 많은 TES 열 교환기들에서, 파라핀과 같은 상 변화 물질(PCM)은 안정성 및 높은 축열 용량으로 인해 열 교환기의 축열 물질로 사용된다.
본 명세서에 개시되어 있다.
본 개시는 얼음/물과 같은 동결 시 팽창하는 상 변화 물질(PCM)을 이용하는 축열식 열 교환기 구조를 사용하는 시스템 및 방법을 제공한다.
제1 실시예에서, 열 교환기는 동작 유체를 함유하도록 구성된 하우징을 포함한다. 열 교환기는 또한 하우징 내에 배치되고 동작 유체가 하우징 내에 있을 때 동작 유체에 의해 둘러싸이도록 배열되는 복수 개의 챔버들을 포함하며, 각 챔버는 동결 시 팽창하는 상 변화 물질(PCM)을 함유하도록 구성된다. 각 챔버의 벽들은 동작 유체 및 각 챔버 내의 PCM 사이에서 열 에너지의 이송을 허용하는 높은 열 전도성 물질로 형성된다. 각 챔버의 벽들은 PCM이 동결 시 팽창함에 따라 챔버의 내부 체적을 증가시키도록 변형되게 구성된 팽창 가능한 벨로우즈(bellows)를 포함한다.
제2 실시예에서, 시스템은 적어도 하나의 열원, 적어도 하나의 히트 싱크(heat sink), 및 적어도 하나의 열원으로부터 열 에너지를 수용하고 열 에너지를 적어도 하나의 히트 싱크로 제공하도록 구성된 열 교환기를 포함한다. 열 교환기는 동작 유체를 함유하도록 구성된 하우징을 포함한다. 열 교환기는 또한 하우징 내에 배치되고 동작 유체가 하우징 내에 이 T을 때 동작 유체에 의해 둘러싸이도록 배열된 복수 개의 챔버들을 포함하며, 각 챔버는 동결 시 팽창하는 PCM을 함유하도록 구성된다. 각 챔버의 벽들은 동작 유체 및 각 챔버 내의 PCM 사이에서 열 에너지의 이송을 허용하는 높은 열 전도성 물질로 형성된다. 각 챔버의 벽들은 PCM이 동결 시 팽창함에 따라 챔버의 내부 체적을 증가시키도록 변형되게 구성된 팽창 가능한 벨로우즈를 포함한다.
제3 실시예에서, 방법은 열 교환기의 하우징을 통해 동작 유체를 이동시키는 것을 포함하며, 하우징은 복수 개의 챔버들을 함유하며, 각 챔버는 동결 시 팽창하는 PCM을 함유한다. 방법은 또한 동작 유체가 각각의 복수 개의 챔버들 주위를 이동할 때, PCM에서 동작 유체로 열 에너지를 전달하는 것을 포함한다. 각 챔버의 벽들은 동작 유체 및 각 챔버 내의 PCM 사이에서 열 에너지의 이송을 허용하는 높은 열 전도성 물질로 형성된다. 각 챔버의 벽들은 PCM이 동결 시 팽창함에 따라 챔버의 내부 체적을 증가시키도록 변형되게 구성된 팽창 가능한 벨로우즈를 포함한다.
다른 기술적 특징들은 다음의 도면, 설명, 및 청구 범위로부터 당업자들에게 쉽게 명백할 수 있다.
본 명세서에 개시되어 있다.
본 개시의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부된 도면들과 관련하여 취해진 다음의 설명이 참조된다.
도 1은 본 개시에 따라 상 변화 물질(PCM) 열 교환기가 사용될 수 있는 예시적인 열 관리 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시에 따른 PCM 열 교환기를 도시한다.
도 3은 도 2의 PCM 열 교환기의 확대도들을 도시한다.
도 4는 본 개시에 따라 PCM 열 교환기를 사용하는 예시적인 방법을 도시한다.
아래에 설명된 도 1 내지 도 4 및 본 특허 명세서에서 본 개시의 원리들을 설명하기 위해 사용된 다양한 실시예들은 단지 설명을 위한 것이며 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 당업자들은 본 개시의 원리가 임의의 유형의 적절하게 배열된 장치 또는 시스템에서 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
기존의 축열식 열 교환기들은 일반적으로 잠재성 축열 물질로서 다양한 파라핀을 사용한다. 파라핀 왁스는 안정적이고, 화학적으로 양성이며, 반복 가능한 용융 및 응고 거동을 보인다. 그러나 그 열 전도도는 PCM 안팎으로 열 전달을 가능하게 하기 위해서 PCM 열 교환기에 다량의 열 확산 구조를 요구한다. 파라핀은 또한 상대적으로 낮은 밀도를 가지므로 다른 알려진 유기 및 무기 PCM에 비해 더 많은 양의 물질이 필요하다. 일반적으로, 파라핀 기반 PCM 열 교환기들은 약 50-70kJ/kg 및 50-70MJ/m3의 비 에너지 밀도 및 체적 에너지 밀도(specific and volumetric energy density)로 각각 제한된다. 이 수치들은 중량 및 체적 할당이 제한되는 특정 적용, 예를 들어 신흥 지향성 에너지 적용(emerging directed energy application)에서 허용될 수 없을 정도로 낮다.
파라핀의 열적 한계를 해결하기 위해, 일부 열 교환기 시스템들은 PCM으로서 얼음/물의 사용을 제안했다. PCM으로서 얼음/물을 사용하는 것의 이점은 유리한 열-물리적 특성 때문이다(예를 들어, 높은 융해 잠열, 밀도, 및 열 전도도). 얼음/물은 또한 냉장을 필요로 하거나 매우 낮은 온도의 방열 환경에 접근하는 시스템들에 특히 유리하다. 그러나, 얼음/물은 또한 물이 동결 시 팽창한다는 점에서 (대부분의 다른 알려진 PCM들에 대하여) 고유하다. 얼음/물 PCM 열 교환기는 열 교환기 인벨로핑(enveloping) 및 열 확산 구조들과 긴밀한 접촉을 통해 효과적인 열 전달을 유지하면서 이러한 팽창을 수용하도록 설계되어야 한다. (파라핀과 같은) 보통의 PCM들에 효과가 있는 전형적인 판(plate)/핀(fin) PCM 열 교환기 설계는 견고한 인클로저(enclosure)들을 특징으로 하고 인클로저들의 벽은 동결에 의해 파열되기 때문에 얼음/물에 적합하지 않다.
PCM으로서 얼음/물이 사용되는 일부 설계들은 (열 교환기와는 대조적으로) 히트 싱크 적용에서 잠재력을 보였다. 그러나, 이러한 설계들은 많은 군사 지향성 에너지 적용의 경우와 같이, 액체의 동작 유체로부터/동작 유체로 높은 열 전달률(예를 들어, 수백 킬로와트)이 요구되는 TES PCM 열 교환기들에 적합하지 않다. 이는 설계된 구조, 시스템 구성, 및 얼음/물 PCM의 안팎으로 열을 전달하는 것과 관련하여 상대적으로 높은 전도성 열 저항 때문이다. 유사하게, 다른 얼음/물 PCM 열 교환기 구조 설계들은 얼음/물 PCM의 안팎으로 열을 얻는 것과 관련하여 높은 대류 및 전도 열 저항을 특징으로 한다. 이러한 설계들이 낮은 전달률(수십 kW), 상대적으로 작은 에너지 적용에 적합할 수 있지만, 그러한 설계들은 지향성 에너지 적용들에서 요구될 수 있는 고율, 고에너지 적용에서 허용 가능하지 않다.
이러한 또는 다른 문제들을 해결하기 위해, 본 개시의 실시예들은 상 변화 물질(PCM)으로서 얼음/물을 이용하고 동결하여 얼음의 체적 팽창으로 인해 파열되지 않는 열 에너지 저장(TES) 열 교환기를 제공한다. 개시된 실시예들은 PCM TES 열 교환기들의 비 에너지 밀도 및 체적 에너지 밀도를 현저하게 개선하며, 이에 따라 열 에너지 저장을 통한 부하 평준화를 이용하는 열 관리 시스템(TMS)의 크기 및 중량을 감소시킨다.
본 개시의 실시예들이 여기에 설명된 특징들 중 임의의 하나, 하나 이상, 또는 모두를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본 개시의 실시예들은 여기에 열거되지 않은 다른 특징들을 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다.
도 1은 PCM 열 교환기가 본 개시에 따라 사용될 수 있는 예시적인 열 관리 시스템(100)을 도시한다. 도 1에 도시된 시스템(100)의 실시예는 단지 설명을 위한 것이다. 시스템(100)의 다른 실시예들은 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 당업자들은 간략화 및 명료성을 위해, 다른 도면과 관련하여 도시된 것들을 포함하여, 일부 특징들 및 구성 요소들이 모든 도면에 명시적으로 도시되어 있지 않음을 인식할 것이다. 다른 도면들에 도시된 것들을 포함하는 이러한 특징들은 시스템(100)에 동등하게 적용 가능하다는 것이 이해될 것이다. 도면들에 도시된 모든 특징들이 임의의 설명된 실시예들에서 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 특정 도면들로부터 특징 또는 구성 요소의 생략은 간략화 및 명료성을 위한 것이며, 특징 또는 구성 요소가 그 도면과 관련하여 설명된 실시예들에서 이용될 수 없음을 의미하지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 열원 요소(110), 열 교환기(120), 및 히트 싱크 요소(130)를 포함한다. 열원 요소(110)는 열원(112) 및 도관(114)을 수용한다. 열원(112)은 사용 중에 연속적으로 또는 단시간(short bursts)에 고수준의 열 에너지를 발생시킨다. 열원(112)은 전자 부품, 레이저 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 다양한 열 발생원들일 수 있다. 열원(112)은 크게 변화할 수 있기 때문에, 열원(1120)의 세부 사항들은 도시 및 설명되지 않는다. 유사하게, 열원(112)을 수용하는 열원 요소(110)는 크게 변화할 수 있고 열원(1120)이 위치하는 임의의 적합한 구조를 나타낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 열원 요소(110)는 육지, 바다, 공기, 또는 우주 이동수단의 구획을 나타낼 수 있다. 도 1이 간략화를 위해 하나의 열원 요소(110) 및 열원(112)을 도시하지만, 일부 실시예들에서, 다수의 열원 요소들(110) 및/또는 다수의 열원들(112)이 있을 수 있다.
도관(114)은 열원(112)에 근접한 열원 요소(110)를 통해 동작 유체를 운반한다. 시스템(100)의 작동 중에, 도관(114)을 통과하는 동작 유체는 대류 및 전도를 통해 열 에너지를 열원(112)과 교환한다. 동작 유체는 열 관리 시스템에서 사용하기에 적합한 임의의 유체일 수 있다. 일부 실시예들에서, 동작 유체는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 및 물의 혼합물이다. 단일 도관(114)이 도 1에 도시되어 있지만, 도관(114)은 평행으로, 매쉬 패턴으로, 또는 임의의 다른 적합한 구성으로 동작 유체를 운반하는 다수의 도관들을 실제로 나타낼 수 있다. 작동의 하나의 특정 양태에서, 열원(112)은 열 에너지의 짧은 방출(short bursts)을 발생시키고 도관(114) 내의 동작 유체는 열원(112)에서 도관(114)으로 전달되는 열 에너지를 흡수함으로써 열원(112)을 냉각시킨다. 작동의 또 다른 양태에서, 열원(112)은 휴지 모드(idle mode) 또는 또 다른 비-열-발생 모드(non-heat-generating mode)일 수 있으며, 도관(114) 내의 동작 유체는 열 에너지를 도관(114)을 통해 열원(112)으로 다시 전달할 수 있다.
히트 싱크 요소(130)는 히트 싱크(132) 및 도관(134)을 포함한다. 히트 싱크(132)는 시스템(100) 외부로의 열 에너지의 최종 전달을 위한 히트 싱크를 나타낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 히트 싱크(132)는 대기, 많은 양의 물, 또는 기체, 액체, 또는 2 상 유체일 수 있는 또 다른 적절한 히트 싱크 매체일 수 있다. 히트 싱크(132)는 크게 변화할 수 있기 때문에, 히트 싱크(132)의 세부 사항들은 도시 및 설명되지 않는다. 유사하게, 히트 싱크(132)를 포함하는 히트 싱크 요소(130)는 크게 변화할 수 있고 히트 싱크(132)가 위치되는 임의의 적합한 위치 또는 구조를 나타낼 수 있다. 도 1이 간략화를 위해 하나의 히트 싱크 요소(130) 및 하나의 히트 싱크(132)를 도시하지만, 일부 실시예들에서, 다수의 히트 싱크 요소들(130) 및/또는 다수의 히트 싱크들(132)이 있을 수 있다.
도관(134)은 히트 싱크(132)에 근접한 히트 싱크 요소(130)를 통해 동작 유체를 운반한다. 시스템(100)의 작동 중에, 도관(134)을 통과하는 동작 유체는 대류 및 전도를 통해 히트 싱크(132)로 열 에너지를 전달한다. 동작 유체는 열 관리 시스템에서의 사용에 적합한 임의의 유체일 수 있다. 일부 실시예들에서, 동작 유체는 에틸렌 글리콜 및 물의 혼합물일 수 있다. 단일 도관(134)이 도 1에 도시되어 있지만, 도관(134)은 평행으로, 매쉬 패턴으로, 또는 임의의 다른 적절한 구성으로 동작 유체를 운반하는 다수의 도관들을 실제로 나타낼 수 있다.
열 교환기(120)는 열 에너지 저장 물질로서 (얼음/물과 같은) PCM을 사용하는 열 에너지 저장(TES) 상 변화 물질(PCM) 열 교환기이다. 열 교환기(120)는 PCM 챔버(122) 및 도관(124)을 포함한다. 열 교환기(120)는 도관들(114, 124, 134)을 포함하는 동작 유체 루프(140)를 통해 열원 요소(110) 및 히트 싱크 요소(130)와 열적으로 결합된다. 즉, 열 에너지는 루프(140)를 통과하는 동작 유체에 의해 열원 요소(110), 열 교환기(120), 및 히트 싱크 요소(130) 사이에서 이송될 수 있다.
PCM 챔버(122)는 PCM을 보유한다. 도관(124)은 PCM 챔버(122)에 근접한 열 교환기(120)를 통해 동작 유체를 운반한다. 시스템(100)의 작동 중에, 도관(124)을 통과하는 동작 유체는 대류 및 전도를 통해 PCM 챔버(122)와 열 에너지를 교환한다. 도 1에는 단일 PCM 챔버(122)가 도시되지만, 대부분의 PCM 열 교환기들은 다수의 PCM 챔버들을 포함하며, PCM 챔버(122)는 열 교환기(120) 내의 임의의 적절한 수의 PCM 챔버들을 나타낼 수 있다. 유사하게, 도관(124)은 평행으로, 매쉬 패턴으로, 또는 임의의 다른 적합한 구성으로 동작 유체를 운반하는 다수의 도관들을 실제로 나타낼 수 있다.
작동의 일 양태에서, 열원(112)에 의해 발생되는 열 에너지는 도관(114) 내의 동작 유체로 전달된다. 동작 유체는 열 교환기(120) 내의 도관(124)으로 루프(140)를 통해 열 에너지를 운반한다. 열 교환기(120)에서, 열 에너지의 적어도 일부는 대류 및 전도를 통해 도관(124) 내의 동작 유체에서 PCM 챔버(122) 내의 PCM으로 전달된다. 열 교환기(120) 내의 PCM은 반대 방향으로 열 에너지의 전달에 의해 도관(124) 내의 동작 유체로 다시 방출될 때까지 열 에너지를 저장하는 것이 가능하다. 이때, 열 에너지는 PCM 챔버(122) 내의 PCM에서 도관(124) 내의 동작 유체로 전달된다. 동작 유체는 히트 싱크 요소(130) 내의 도관(134)으로 루프(140)를 통해 열 에너지를 운반한다. 히트 싱크 요소(130)에서, 열 에너지의 적어도 일부는 도관(134) 내의 동작 유체에서 히트 싱크(132)로 전달된다.
본 개시에 따르면, 열 교환기(120) 내의 PCM은 얼음/물이다. 열 에너지가 도관(124)에서 PCM 챔버(122)로 전달될 때, PCM은 PCM이 열 에너지를 흡수함에 따라 얼음에서 물로 변한다. 유사하게, PCM은 열 에너지가 PCM 챔버(122)에서 도관(124)으로 다시 전달될 때 물에서 얼음으로 변하고 열 에너지를 방출한다. 열 교환기(120)는 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 얼음이 동결될 때 얼음의 체적 팽창을 수용하기 위해 다수의 유리한 특징들을 포함한다.
도 1이 PCM 열 교환기가 사용될 수 있는 열 관리 시스템(100)의 일 예시를 도시하지만, 다양한 변경들이 도 1에 만들어질 수 있다. 예를 들어, 열원 요소(110), 열 교환기(120), 및 히트 싱크 요소(130)가 분리된 것으로 도시되어 있지만, 이는 단지 설명의 명료성을 위한 것이다. 일부 실시예들에서, 요소들(110, 120, 130) 중 2개 이상이 서로 접촉할 수 있거나, 요소들(110, 120, 130) 중 2개 이상이 동일한 구조의 부분일 수 있다. 또한, 시스템(100)의 구성 및 배열은 단지 설명을 위한 것이다. 구성 요소들은 특정 요구들에 따라 임의의 다른 구성으로 추가, 생략, 결합, 또는 배치될 수 있다.
도 2는 본 개시에 따른 PCM 열 교환기(200)를 도시한다. PCM 열 교환기(200)는 (도 1의 열 교환기(120)에 의해 나타내지거나) 도 1의 열 교환기(120)를 나타낼 수 있다. 도 2에 도시된 PCM 열 교환기(200)의 실시예는 단지 설명을 위한 것이다. PCM 열 교환기(200)의 다른 실시예들은 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다.
PCM 열 교환기(200)는 열 에너지 저장(TES) 열 교환기이고 쉘 및 튜브 PCM 열 교환기 구조에서 발견되는 것과 유사한 일부 특징들을 포함한다. 전형적인 쉘 및 튜브 열 교환기들은 다수의 튜브들을 감싸는 압력 용기와 같은 "쉘" 또는 하우징을 포함한다. 일 유체는 각각의 튜브들 내부에 있으며 제2 유체는 튜브들 주위 및 사이의 쉘을 통해 유동한다. 파열 없이 PCM으로서 얼음/물을 사용할 수 없는 기존의 쉘 및 튜브 PCM 열 교환기들과 달리, PCM 열 교환기(200)는 PCM 열 저장 물질로서 얼음/물의 사용을 허용하는 특징들을 포함한다.
도 2는 열 교환기(200)의 2개의 도면들(210-220)을 도시한다. 도면(210)은 도면(220)에서 선 A-A를 따라 취해진 열 교환기(200)의 단면도이다. 열 교환기(200)는 복수 개의 신축 가능한, 팽창 가능한 PCM 챔버들(204)을 둘러싸는 하우징(202)을 포함한다. 열 교환기(200)는 또한 입구(206) 및 출구(208)를 포함한다. 일 실시예에서, 하우징(202)은 일반적으로 대략적으로 1피트×1피트×2피트의 치수를 가지는 직사각형 구조이다. 하우징(202)은 입구(206) 및 출구(208)를 제외하고 기밀 및 방수되도록 폐쇄되고 밀폐될 수 있다. 하우징(202)의 벽들은 벽들을 통한 열 에너지의 전달을 최소화하기 위해 주변 환경으로부터 열적으로 단열될 수 있다.
열 교환기(200)의 입구(206)는 동작 유체가 열 교환기(200)로 들어가는 하우징(202) 내의 개구이다. 유사하게, 출구(208)는 동작 유체가 열 교환기(200)를 빠져나가는 하우징(202) 내의 개구이다. 입구(206) 및 출구(208)는 도 1의 루프(130)와 같은 열 관리 동작 유체 루프에 결합된다. 동작 유체는 입구(206)에서 열 교환기(200)로 들어가고, 인접한 PCM 챔버들(204) 사이의 갭들을 통해 하우징(202)의 내부 공동(cavity)을 통과한 다음, 출구(208)에서 열 교환기(200)를 빠져나가며, 동작 유체는 루프의 추가적인 부분들로 이동한다. 이는 도 2에 도시된 큰 화살표에 의해 보여진다. 따라서, 하우징(202)의 내부 공동은 그 자체로 도 1의 도관(124)과 유사한 동작 유체를 위한 도관으로서의 역할을 한다. 동작 유체는 열 관리 시스템에서의 사용에 적합한 임의의 유체일 수 있다. 일부 실시예들에서, 동작 유체는 에틸렌 글리콜 및 물의 혼합물이다.
하우징(202) 내부에서, PCM 챔버들(204)은 실질적으로 동일하며 도 2에 도시된 것과 같은 엇갈린 격자(staggered grid), 또는 또 다른 정렬된 배열로 배열된다. PCM 챔버들(204)은 인접한 PCM 챔버들(204) 사이에 갭 또는 공간이 있도록 서로 이격된다. 일부 실시예들에서, 인접한 PCM 챔버들(204) 사이의 공간은 PCM 챔버(204)의 직경의 대략 5%일 수 있다. PCM 챔버들(204)은 얼음/물로 채워진 폐쇄된 리저버(reservoir)들이며, 이는 PCM 열 교환기(200)를 위한 PCM 물질이다. 각 PCM 챔버(204) 내의 물은 일반적으로 임의의 첨가물이 없는 여과된 물이다. 일부 실시예들에서, 물은 탈염수일 수 있다. 그러나, 물이 절대적으로 순수할 필요는 없다. 각 PCM 챔버(204)의 벽들은 스테인리스 강, 알루미늄, 티타늄, 구리, 인코넬, 또는 유리한 열 전달 특성들(예를 들어, 높은 열 전도도)을 갖는 임의의 다른 적절한 물질과 같은 금속일 수 있다.
일부 실시예들에서, 각 PCM 챔버(204)는 길며, 가장 큰 단면에서 길이가 대략 1피트이고 직경이 대략 2인치이다. 도 3은 일 PCM 챔버(204)의 확대도들을 도시한다. 각 챔버(204)의 벽들은 PCM의 팽창을 위한 기계적 컴플라이언스(compliance)를 제공하는 다수의 신축 가능한 골이 진(corrugated) 금속 벨로우즈의 열로 형성된다. 벨로우즈(302)는 확장된 표면들을 가지는 PCM이 채워진 핀들로서 역할을 하며, PCM 챔버(204)가 단순히 직선 벽들을 갖는 원통형인 경우보다 실질적으로 더 큰 PCM 챔버(204)에 대한 표면적을 제공한다. 증가된 표면적은 증가된 대류 열 전달 면적을 초래하며, PCM 안팎으로 열 에너지를 전달하는 것과 관련된 전도 길이를 감소시킨다.
벨로우즈(302)는 또한 동결할 때 PCM의 팽창을 수용한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 치수 A는 PCM이 액체 상태(예를 들어, 물)일 때 각 벨로우(302)의 두께를 나타낸다. PCM이 동결되고 팽창할 때, 하나 이상의 벨로우즈(302)는 두께가 치수 A'로 팽창한다. 즉, 벨로우즈(302)의 골이 진 벽들은 변형되어, 팽창된 PCM을 수용하도록 보다 큰 치수 A'를 초래한다. 일부 실시예들에서, 치수 A는 대략 0.20 인치이고 A'는 대략 0.22 인치이다. 물론 이는 단지 일 예시이다. 다른 실시예들에서, 치수 A 및 A'는 특정 요구에 따라 보다 크거나 작을 수 있다. 각 PCM 챔버(204)의 구조는 동시에 팽창을 수용하고, 얼음/물로의 전도 길이를 감소시키며 벨로우즈(302)의 골들에 의해 제공된 확장된 표면들의 추가를 통해 대류 열 전달을 증가시키도록 신축 가능한 벨로우즈(302)를 유리하게 이용한다. 벨로우즈(302)의 형상은 형상이 PCM의 팽창을 수용하기에 적절하다면 실시예마다 다를 수 있다.
작동의 일 양태에서, PCM 챔버들(204) 내의 PCM 물질은 액체 물 상태이다. PCM 챔버들(204)로부터의 열 에너지는 대류 및 전도를 통해 PCM 챔버(204)의 벽들을 통과하여 동작 유체로 전달된다. 열 에너지가 PCM으로부터 이송됨에 따라, 물은 얼음으로 동결되고 마찬가지로 팽창한다. 얼음이 형성되고 팽창함에 따라, 벨로우즈(302)는 팽창하는 얼음에 대한 각 PCM 챔버(204) 내부의 추가적인 체적을 제공하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 팽창하며, 이에 따라 임의의 PCM 챔버 벽들의 파열을 회피한다. 나중에, 열 에너지는 각 PCM 챔버(204) 내의 동작 유체로부터 PCM으로 전달되며, 얼음은 물로 용융되고 수축하며, 벨로우즈(302)는 PCM 챔버(204)의 내부 및 외부 사이의 압력 차이로 인해 정적 형상으로 되돌아간다. 벨로우즈(302)의 특정 구성들은 또한 각각의 PCM 챔버들(204) 내의 얼음의 지향성 동결을 촉진시키며, 이는 각 벨로우(302)의 부근의 PCM 챔버(204) 내의 얼음의 형성을 촉진함으로써 PCM 챔버(204)의 작동을 개선시킨다.
도 2 및 도 3이 PCM 열 교환기(200)의 일 예시를 도시하지만, 도 2 및 도 3에 다양한 변경들이 만들어질 수 있다. 예를 들어, 전체 길이를 따라 벨로우즈(302)를 갖는 것으로 도시되었지만, 하나 이상의 PCM 챔버들(204)은 그 길이의 일부를 따라 하나 이상의 평평한, 골이 지지않은 부분들을 가질 수 있다. 또한, 특정 치수들이 예시로서 제공되었지만, 이러한 치수들은 특정 요구들에 따라 더 크거나 더 작을 수 있다. 게다가, PCM 열 교환기(200)의 구성 및 배열은 단지 설명을 위한 것이다. 구성 요소들은 특정 요구들에 따라 임의의 다른 구성으로 추가, 생략, 결합, 또는 배치될 수 있다. 예를 들어, 하우징(202)은 실질적으로 PCM 챔버들(204)로 채워진 것으로 도시되지만, 이는 단지 일 예시이다. 다른 실시예들에서, 하우징(202)의 일부들은 더 적거나 더 많은 PCM 챔버들(204)을 포함할 수 있고, 또는 PCM 챔버들(204)은 일부들에서 이격될 수 있다.
도 4는 본 개시에 따른 PCM 열 교환기를 사용하기 위한 예시적인 방법(400)을 도시한다. 방법(400)은 도 1의 열 관리 시스템(100)에서 도 2의 PCM 열 교환기(200)를 사용하여 수행될 수 있다. 그러나, 방법(400)은 임의의 다른 적절한 시스템과 사용될 수 있다.
단계(401)에서, 동작 유체는 열 교환기의 하우징을 통해 이동한다. 예를 들어, 열 관리 시스템의 펌프는 하우징을 통해 동작 유체를 펌핑할 수 있다. 하우징은 복수 개의 챔버들을 함유하며, 각 챔버는 얼음/물과 같은 동결 시 팽창하는 PCM을 함유한다. 이는 예를 들어 하우징(202)을 통해 이동하는 에틸렌 글리콜 및 물과 같은 동작 열 전달 유체를 포함할 수 있다.
단계(403)에서, 열 에너지는 동작 유체가 각각의 복수 개의 챔버들 주위를 이동할 때 PCM으로부터 동작 유체로 전달된다. 이는 예를 들어, 동작 유체가 하우징(202) 내의 각 PCM 챔버(204) 주위를 이동할 때 각각의 PCM 챔버들(204) 내의 PCM으로부터 동작 유체로 전달되는 열 에너지를 포함할 수 있다. 적어도 열 에너지의 일부는 히트 싱크(132)와 같은 히트 싱크로 이송될 수 있는 초과된 열 에너지를 나타낼 수 있다.
각 챔버의 벽들은 동작 유체 및 각 챔버 내의 PCM 사이에서 열 에너지의 전달을 허용하는 높은 열 전도성 물질로 형성된다. 또한, 각 챔버의 벽들은 PCM이 동결 시 팽창함에 따라 챔버의 체적을 증가시키도록 변형되게 구성된 팽창 가능한 벨로우즈를 포함한다. 예를 들어, 각 PCM 챔버(204)는 각 챔버 내부의 전체 체적을 팽창시키도록 변형될 수 있는 복수 개의 벨로우즈(302)를 포함한다. 열 에너지가 PCM으로부터 동작 유체로 전달됨에 따라, PCM은 동결되고 팽창한다. PCM이 팽창함에 따라, 벨로우즈(302)는 PCM 챔버(204)의 체적을 증가시키도록 변형된다.
단계(405)에서, 열 에너지는 동작 유체로부터 PCM으로 전달된다. 이는 예를 들어, 동작 유체로부터 각 PCM 챔버(204) 내의 PCM으로 전달되는 열 에너지를 포함할 수 있다. 적어도 열 에너지의 일부는 열원(112)과 같은 열원에서 발생되는 열 에너지를 나타낼 수 있다. 열 에너지가 동작 유체에서 PCM으로 전달될 때, PCM은 용융되고 수축한다. PCM이 수축함에 따라, 각 PCM 챔버(204)의 벨로우즈(302)는 정적 상태로 되돌아가며, 이에 따라 각 PCM 챔버(204)의 체적을 감소시킨다.
일부 실시예들에서, 동작 유체는 열 관리 시스템 내의 동작 유체 루프 내에 있고, 단계들(401-405)은 열 관리 시스템 내에서 1회 이상 반복될 수 있다.
도 4가 PCM 열 교환기를 사용하기 위한 방법의 일 예시를 도시하지만, 도 4에 다양한 변경들이 만들어질 수 있다. 예를 들어, 일련의 단계들로 도시되었지만, 도 4에 도시된 다양한 단계들은 중첩되거나, 병렬로 발생하거나, 다른 순서로 발생하거나, 또는 여러 번 발생할 수 있다. 또한, 일부 단계들은 결합되거나 제거될 수 있고 추가적인 단계들은 특정 요구 사항들에 따라 추가될 수 있다.
본 특허 문헌 전체에 걸쳐 사용된 특정 단어 및 어구의 정의를 설명하는 것이 바람직할 수 있다. 용어 “포함(include)”및 “포함(comprise)”은 그 파생물뿐만 아니라 제한없이 포함을 의미한다. 용어 "또는"은 및/또는을 의미하는 것을 포함한다. 어구 "와 관련이 있다"는 의미는 그 파생물뿐만 아니라 포함하거나, 내에 포함되거나, 상호 연결시키거나, 함유하거나, 내에 함유되거나, 연결하거나, 함께 연결되거나, 결합하거나, 함께 결합되거나, 함께 연통 가능하거나, 함께 협력하거나, 상호 작용하거나, 병치되거나, 근접하거나, 묶거나, 함께 묶이거나, 가지거나, 특성을 갖거나, 관계를 가지거나, 그 등등을 의미한다. 어구 "중 적어도 하나"는 항목 목록과 함께 사용될 때, 나열된 항목 중 하나 이상의 다른 조합이 사용될 수 있으며 목록에 있는 하나의 항목만 필요할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, "A, B 및 C 중 적어도 하나"에는 A, B, C, A 및 B, A 및 C, B 및 C 및 A 및 B 및 C 조합 중 하나가 포함됩니다.
본 출원의 설명은 임의의 특정 요소, 단계 또는 기능이 청구 범위에 포함되어야 하는 필수 요소 또는 중요 요소임을 암시하는 것으로 해석되어서는 안된다. 특허 대상 범위는 허용된 주장에 의해서만 정의된다. 또한, 청구항 중 어느 것도 기능을 식별하는 분사구 다음으로 특정 청구항에 "대한 의미" 또는 "위한 단계"라는 정확한 단어가 명시적으로 사용된 경우를 제외하고는 첨부된 청구 범위 또는 청구 구성 요소 중 어느 하나와 관련하여 35 U.S.C. §112(f)을 적용하도록 의도되지 않는다. 청구 범위 내의 "메커니즘", "모듈", "장치", "유닛", "구성 요소", "요소", "부재”, "장치", "기계" 또는 "시스템"과 같은 (그러나 이에 국한되지 않는) 용어들의 사용은 청구 범위 자체의 특징에 의해 추가로 수정되거나 강화되는 것으로서 관련 기술 분야의 당업자에게 공지된 구조를 의미하는 것으로 이해되고 의도되며, 35 USC §112 (f)을 적용하도록 의도되지 않는다.
본 개시가 특정 실시예들 및 일반적으로 관련된 방법들 설명하였지만, 이러한 실시예들 및 방법들의 변경 및 치환은 당업자들에게 명백할 것이다. 따라서, 예시적인 실시예들의 상기 설명은 본 개시를 정의하거나 제한하지 않는다. 다음의 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 변경, 대체 및 개조 또한 가능하다.
100: 열 관리 시스템
110: 열원 요소
112: 열원
114: 도관
120: 열 교환기
122: PCM 챔버
124: 도관
130: 히트 싱크 요소
132: 히트 싱크
134: 도관
140: 동작 유체 루프
200: PCM 열 교환기
202: 하우징
204: PCM 챔버
206: 입구
208: 출구
302: 벨로우즈
400: 방법

Claims (20)

  1. 동작 유체를 함유하도록 구성된 하우징; 및
    상기 하우징 내에 배치되고 상기 동작 유체가 상기 하우징 내에 있을 때 상기 동작 유체에 의해 둘러싸이도록 배열된 복수 개의 챔버들;
    을 포함하고,
    각 챔버는 동결 시 팽창하는 상 변화 물질(PCM)을 함유하도록 구성되며,
    각 챔버의 벽들은 상기 동작 유체 및 각 챔버 내의 상기 PCM 사이에서 열 에너지의 이송을 허용하는 높은 열 전도성 물질로 형성되며,
    각 챔버의 벽들은 상기 PCM이 동결 시 팽창함에 따라 상기 챔버의 내부 체적을 증가시키도록 변형되게 구성된 팽창 가능한 벨로우즈를 포함하는, 열 교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 챔버들은 인접한 챔버들 사이에 공간을 갖는 하우징 내부에서 이격되고,
    상기공간들은 상기 동작 유체가 상기 하우징 및 각 챔버 주위를 통해 유동하는 것을 허용하도록 연결된, 열 교환기.

  3. 제1항에 있어서,
    상기 벨로우즈는 각 챔버의 골이 진 벽들을 형성하도록 열로 배열되는, 열 교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 PCM은 얼음/물을 포함하는, 열 교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각 챔버의 벽들은 스테인리스 강, 알루미늄, 티타늄, 구리, 또는 인코넬 중 적어도 하나로 형성되는, 열 교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 동작 유체는 에틸렌 글리콜 및 물의 혼합물을 포함하는, 열 교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 제1 벽 내의 입구; 및
    상기 하우징의 제2 벽 내의 출구;
    를 더 포함하고,
    상기 입구는 상기 열 교환기 내로 상기 동작 유체를 수용하도록 구성되며,
    상기 출구는 상기 동작 유체가 상기 열 교환기를 빠져나가는 것을 허용하도록 구성되고,
    상기 입구 및 상기 출구는 열 에너지 관리 시스템 내의 동작 유체 루프에 결합되는, 열 교환기.
  8. 적어도 하나의 열원;
    적어도 하나의 히트 싱크; 및
    상기 적어도 하나의 열원으로부터 열 에너지를 수용하고 상기 적어도 하나의 히트 싱크로 열 에너지를 제공하도록 구성된 열 교환기;
    를 포함하고,
    상기 열 교환기는,
    동작 유체를 함유하도록 구성된 하우징; 및
    상기 하우징 내에 배치되고 상기 동작 유체가 상기 하우징 내에 있을 때 상기 동작 유체에 의해 둘러싸이도록 배열된 복수 개의 챔버들;
    을 포함하며,
    각 챔버는 동결 시 팽창하는 상 변화 물질(PCM)을 함유하도록 구성되며,
    각 챔버의 벽들은 상기 동작 유체 및 각 챔버 내의 상기 PCM 사이에서 열 에너지의 이송을 허용하는 높은 열 전도성 물질로 형성되고,
    각 챔버의 벽들은 상기 PCM이 동결 시 팽창함에 따라 상기 챔버의 내부 체적을 증가시키도록 변형되게 구성된 팽창 가능한 벨로우즈를 포함하는, 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수 개의 챔버들은 인접한 챔버들 사이에 공간을 갖는 상기 하우징 내부에서 이격되고, 상기 공간들은 상기 동작 유체가 상기 하우징 및 각 챔버 주위를 통해 유동하는 것을 허용하도록 연결되는, 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 벨로우즈는 각 챔버의 골이 진 벽들을 형성하도록 열로 배열되는, 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 PCM은 얼음/물을 포함하는, 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 각 챔버의 벽들은 스테인리스 강, 알루미늄, 티타늄, 구리, 또는 인코넬 중 적어도 하나로 형성되는, 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 동작 유체는 에틸렌 글리콜 및 물의 혼합물을 포함하는, 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 열 교환기는,
    상기 하우징의 제1 벽 내의 입구; 및
    상기 하우징의 제2 벽 내의 출구;
    를 더 포함하고,
    상기 입구는 상기 열 교환기 내로 상기 동작 유체를 수용하도록 구성되며,
    상기 출구는 상기 동작 유체가 상기 열 교환기를 빠져나가는 것을 허용하도록 구성되고,
    상기 입구 및 상기 출구는 상기 시스템의 상기 열원에 결합되는 동작 유체 루프에 결합되는, 시스템.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 시스템은 육지, 바다, 공기, 또는 우주 이동 수단에 배치되는, 시스템.
  16. 열 교환기의 하우징을 통해 동작 유체를 이동시키는 단계; 및
    상기 동작 유체가 각각의 복수 개의 챔버들 주위를 이동할 때 열 에너지를 PCM으로부터 상기 동작 유체로 전달하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 하우징은 복수 개의 챔버들을 함유하며, 각 챔버는 동결 시 팽창하는 상 변화 물질(PCM)을 함유하고,
    각 챔버의 벽들은 상기 동작 유체 및 각 챔버 내의 상기 PCM 사이에서 열 에너지의 이송을 허용하는 높은 열 전도성 물질로 형성되며,
    각 챔버의 상기 벽들은 상기 PCM이 동결 시 팽창함에 따라 상기 챔버의 내부 체적을 증가시키도록 변형되게 구성된 팽창 가능한 벨로우즈를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 복수 개의 챔버들은 인접한 챔버들 사이에 공간을 갖는 상기 하우징 내부에서 이격되며, 상기 공간들은 상기 동작 유체가 상기 하우징 및 각 챔버 주위를 통해 유동하는 것을 허용하도록 연결되는, 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    각 벨로우즈는 각 챔버의 골이 진 벽들을 형성하도록 열로 배열되는, 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 PCM은 얼음/물을 포함하는, 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    각 챔버의 상기 벽들은 스테인리스 강, 알루미늄, 티타늄, 구리, 또는 인코넬 중 적어도 하나로 형성되는, 방법.
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