KR20200092177A - Water based phase change material heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
다양한 실시예들은 물 기반 상변화 물질 열 교환기에 관한 것이다. Various embodiments relate to water based phase change material heat exchangers.
일반적으로 상변화 물질 열 교환기(PCM heat exchanger)는 상변화 물질을 이용하여 잠열을 축적했다가, 필요할 때 일정 온도 열원을 제공하는 일종의 열 관리 장치이다. 열 교환기에서, 열이 유체에서 상변화 물질로 출입할 수 있다. 열 교환기 내에서 상변화 물질은 상변화하지 않고, 유지되는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 상변화 물질의 상이 지속적으로 유지된다는 것은 실질적으로 불가능할 수 있다. 예를 들면, 열 교환기의 동작 시작 또는 종료 시 상변화 물질의 상이 변화될 수 있으며, 열 교환기의 가동 중에도 부분적으로 혹은 전체적으로 상변화 물질의 상이 변화될 수 있다. In general, a phase change material heat exchanger (PCM heat exchanger) is a kind of heat management device that accumulates latent heat using a phase change material and provides a constant temperature heat source when necessary. In the heat exchanger, heat can enter and exit the fluid from the phase change material. It may be desirable for the phase change material in the heat exchanger to remain phase-independent. However, it may be practically impossible for the phase of the phase change material to remain constant. For example, the phase of the phase change material may be changed at the start or end of the operation of the heat exchanger, and the phase of the phase change material may be partially or entirely changed during operation of the heat exchanger.
그런데, 상기와 같은 열 교환기에서 물을 상변화 물질로 사용하는 경우, 상변화 물질의 상 변화가 열 교환기의 구조적인 결함을 야기할 수 있다. 이는, 물은 빙결됨에 따라 부피가 증가할 수 있기 때문이다. 특히, 부피 팽창에 따른 내부 응력 관계에 의해 역고드름이 발생할 때, 부분적으로 응력이 집중되어 열 교환기에 심각한 파손이 발생될 수 있다.However, when water is used as a phase change material in the heat exchanger as described above, the phase change of the phase change material may cause structural defects of the heat exchanger. This is because water can increase in volume as it freezes. In particular, when reverse icicles are generated due to an internal stress relationship due to volume expansion, stress may be partially concentrated and serious damage may occur in the heat exchanger.
다양한 실시예들에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기는, 물 기반 상변화 물질이 충전된 단열 하우징, 상기 단열 하우징의 내부를 관통하고, 상기 상변화 물질에 의해 둘러싸이는 열 전달 배관, 및 상기 단열 하우징의 내벽에서 상기 상변화 물질을 에워싸는 탄성 부재를 포함할 수 있다. A water-based phase change material heat exchanger according to various embodiments includes an insulating housing filled with a water-based phase change material, a heat transfer pipe penetrating the interior of the heat insulation housing and surrounded by the phase change material, and the heat insulation The inner wall of the housing may include an elastic member surrounding the phase change material.
다양한 실시예들에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기는, 물 기반 상변화 물질이 충전된 단열 하우징, 상기 단열 하우징의 내부를 관통하고, 상기 물 기반 상변화 물질에 의해 둘러싸이는 열 전달 배관, 및 상기 열 전달 배관의 내부에 배치되어, 상기 열 전달 배관의 내부에서 흐르는 유체를 통과시키면서, 상기 열 전달 배관을 지지하는 탄성 부재를 포함할 수 있다. A water-based phase change material heat exchanger according to various embodiments, an insulating housing filled with a water-based phase change material, a heat transfer pipe penetrating the interior of the heat insulation housing and surrounded by the water-based phase change material, and It may be disposed inside the heat transfer pipe, and passing through a fluid flowing inside the heat transfer pipe, and may include an elastic member supporting the heat transfer pipe.
다양한 실시예들에 따르면, 물 기반 상변화 물질 열 교환기가 탄성 부재를 이용하여, 물 기반 상변화 물질의 상 변화 시 발생되는 응력을 흡수할 수 있다. 이 때 탄성 부재가 단열 하우징 또는 열 전달 배관 중 적어도 어느 하나에 대응하여, 응력을 흡수할 수 있다. 이를 통해, 단열 하우징 또는 열 전달 배관 중 적어도 어느 하나가 탄성 부재를 통하여 응력으로부터 보호될 수 있다. 이에 따라, 물 기반 상변화 물질 열 교환기에서, 물 기반 상변화 물질의 상 변화에 따른 손상이 방지될 수 있다. According to various embodiments, a water-based phase change material heat exchanger may absorb stress generated during a phase change of a water-based phase change material by using an elastic member. At this time, the elastic member may absorb the stress, corresponding to at least one of the heat insulating housing or the heat transfer pipe. Through this, at least one of the insulating housing or the heat transfer pipe can be protected from stress through the elastic member. Accordingly, in the water-based phase change material heat exchanger, damage due to the phase change of the water-based phase change material can be prevented.
도 1은 일반적인 상변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2a 및 도 2b는 일반적인 열 교환기를 도시하는 단면도들이다.
도 3은 다양한 실시예들에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기를 도시하는 사시도이다.
도 4는 제 1 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기를 도시하는 단면도들이다.
도 5는 제 2 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기를 도시하는 단면도들이다.
도 6 및 도 7은 도 5의 탄성 부재를 도시하는 예시도들이다.
도 8은 제 3 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기를 도시하는 단면도들이다.
도 9는 도 8의 탄성 부재들의 특성을 설명하기 위한 단면도들이다. 1 is a graph for explaining a general phase change.
2A and 2B are cross-sectional views showing a typical heat exchanger.
3 is a perspective view showing a water-based phase change material heat exchanger according to various embodiments.
4 is a cross-sectional views showing a water-based phase change material heat exchanger according to the first embodiment.
5 is a cross-sectional views showing a water-based phase change material heat exchanger according to a second embodiment.
6 and 7 are exemplary views showing the elastic member of FIG. 5.
8 is a cross-sectional views showing a water-based phase change material heat exchanger according to a third embodiment.
9 is a cross-sectional view for describing the characteristics of the elastic members of FIG. 8.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.It should be understood that the various embodiments of the document and the terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and include various modifications, equivalents, and/or substitutes of the embodiments. In connection with the description of the drawings, similar reference numerals may be used for similar elements. Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this document, expressions such as "A or B", "at least one of A and/or B", "A, B or C" or "at least one of A, B and/or C", etc. are all of the items listed together. Possible combinations may be included. Expressions such as "first", "second", "first" or "second" can modify the corresponding components, regardless of order or importance, and are used only to distinguish one component from other components The components are not limited. When it is stated that one (eg, first) component is “connected (functionally or communicatively)” to another (eg, second) component or is “connected,” the component is the other It may be directly connected to the component, or may be connected through another component (eg, the third component).
일정 압력 하에서 열에너지에 따라 달라지는 분자배열은 물질의 거시적 거동에 영향을 미칠 수 있다. 물질의 상 변화는 열의 출입에 의해 발생하며 고상, 액상, 기상 간의 상변화는 흔하게 관찰될 수 있다. Molecular arrangements that depend on thermal energy under a certain pressure can affect the macroscopic behavior of the material. The phase change of the material is caused by the entry and exit of heat, and phase changes between the solid phase, liquid phase, and gas phase can be commonly observed.
도 1은 일반적인 상변화를 설명하기 위한 그래프이다. 이 때 도 1은 1 기압에서의 얼음-물의 상변화는 나타낸다.1 is a graph for explaining a general phase change. 1 shows the phase change of ice-water at 1 atmosphere.
도 1을 참조하면, 영하의 얼음에 열이 가해지면, 비열에 따라 얼음의 온도가 상승할 수 있다. 얼음의 온도가 0 도에 도달하게 되면, 열은 지속적으로 얼음에 흡수되지만, 얼음의 온도가 변하지 않는 구간이 있다. 이 때 온도를 변화시키는 열을 현열이라 일컫고, 온도를 변화시키지 않는 열을 잠열이라 일컬을 수 있다. 잠열은 얼음의 온도를 변화시키기 않고, 상변화에 사용될 수 있다. Referring to FIG. 1, when heat is applied to sub-zero ice, the temperature of ice may increase according to specific heat. When the ice temperature reaches 0 degrees, the heat is continuously absorbed by the ice, but there is a section where the ice temperature does not change. At this time, the heat that changes the temperature may be referred to as sensible heat, and the heat that does not change the temperature may be referred to as latent heat. Latent heat does not change the temperature of the ice and can be used for phase change.
잠열의 존재는 다채로운 산업적 활용도를 제공할 수 있다. 잠열을 이용하면, 일정 온도를 가진 열원을 얻을 수 있기 때문이다. 이러한 이유로, 적정 온도 유지가 필요한 자동차, 우주항공, 첨단무기, 전자계측통신기기, 핵융합, 생물생화학물질의 보관/운반, 물리치료 의학기기, 심야전기를 이용한 열 축전지 등에, 잠열이 이용되고 있다. 실질적으로, 모든 물질에서 상변화가 발생될 수 있다. 그러나, 편의상 산업적 활용도가 높은 물질이 “상변화 물질 (Phase change material; PCM)”이라 지칭될 것이다.The presence of latent heat can provide a variety of industrial applications. This is because using latent heat, a heat source having a constant temperature can be obtained. For this reason, latent heat is used in automobiles, aerospace, high-tech weapons, electronic measuring and communication devices, nuclear fusion, storage/carrying of biochemicals, physical therapy medical devices, and thermal storage batteries using late-night electricity. Practically, phase changes can occur in any material. However, for convenience, a material having high industrial utilization will be referred to as a “Phase change material (PCM)”.
도 2a 및 도 2b는 일반적인 열 교환기를 도시하는 단면도들이다.2A and 2B are cross-sectional views showing a typical heat exchanger.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 일반적인 열 교환기(210, 220)가 열을 관리할 수 있다. 일반적인 열 교환기(210)는, 도 2a에 도시된 바와 같이 팬(211)을 이용하여, 유체가 흐르는 열 전달 배관(213) 주변의 공기에 강제 대류를 발생시켜, 열을 출입시킬 수 있다. 한편, 일반적인 상변화 물질 열 교환기(220)는, 도 2b에 도시된 바와 같이 열 전달 배관(223)에 흐르는 유체와 열 전달 배관(223)을 둘러싸는 일반적인 상변화 물질(225) 사이에서 열을 출입시킬 수 있다. 즉 상변화 물질 열 교환기(220)는 상변화 물질(225)을 이용하여 잠열을 축적했다가 필요할 때 일정 온도 열원을 제공하는 일종의 열 관리 장치일 수 있다. 상변화 물질 열 교환기(200)에서, 상변화 물질(225)은 상 변화하지 않고 유지되는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 상변화 물질(225)의 상이 지속적으로 유지된다는 것은 실질적으로 불가능할 수 있다. 예를 들면, 상변화 물질 열 교환기(220)의 동작 시작 또는 종료 시 상변화 물질의 상이 변화될 수 있으며, 상변화 물질 열 교환기(220)의 가동 중에도 부분적으로 혹은 전체적으로 상변화 물질의 상이 변화될 수 있다. 다만, 상변화 물질의 상 변화는 상변화 물질 열 교환기(220)에 영향을 미치지 않을 수 있다. 이는, 일반적인 상변화 물질은 응결 시 부피가 감소되기 때문일 수 있다. 2A and 2B,
다양한 실시예들에 따르면, 물 기반 상변화 물질 열 교환기가 제공될 수 있다. 물은 빙결됨에 따라 부피가 증가할 수 있기 때문에, 물 기반 상 변화 물질은 상기와 같은 상변화 물질 열 교환기의 구조적 결함을 야기할 수 있다. 그러나, 물은 값싸며, 일반적인 상변화 물질인 파라핀 왁스에 비해 잠열량과 밀도가 각각 1.7배, 1.3배 가량 높다. 이를 기반으로 하기 [수학식 1]과 같이 결정되는 상변화 물질에 따른 열 교환기의 특성을 고려하면, 물 기반 상변화 물질 열 교환기와 일반적인 상변화 물질 열 교환기의 크기와 무게에 각각 40 %와 54 %만큼 차이가 있을 수 있다. According to various embodiments, a water based phase change material heat exchanger can be provided. Since water can increase in volume as it freezes, water-based phase change materials can cause structural defects in the phase change material heat exchanger as described above. However, water is cheap, and the latent heat and density are 1.7 times and 1.3 times higher than paraffin wax, which is a common phase change material. Based on this, considering the characteristics of the heat exchanger according to the phase change material determined as shown in [Equation 1], the size and weight of the water-based phase change material heat exchanger and the general phase change material heat exchanger are 40% and 54, respectively. There can be as much as% difference.
이 때 상변화 물질 열 교환기는 자동차, 우주선 등에 탑재될 수 있다. 이로 인하여, 상변화 물질 열 교환기의 무게는 반드시 최소화되어야 한다. 즉 상변화 물질 열 교환기는 가볍고, 반복되는 빙결과 해동에도 기계적 결함이 없어야 한다. 여기서, 상변화 물질의 열전도도는 금속에 비해 상대적으로 낮으므로, 금속을 이용하여 유효 열전도도를 상승시키는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 메탈폼(혹은 발포 금속)이 넓은 비표면적을 가지므로 상변화 물질의 열 전달에 적용될 수 있다. 메탈폼의 공극률은 0.9 이상으로 높아질 수 있으며 이러한 특성은 상변화 물질 열 교환기의 무게 감소에 매우 바람직할 수 있다. 메탈폼은, 예컨대 알루미늄, 구리, 니켈 등의 재질로 제작될 수 있다. 그러나, 메탈폼, 예컨대 알루미늄으로 제작된 메탈폼은 4 % 내지 6 % 정도의 변형에 대해 탄성적으로 반응하지만, 그 이상의 변형에는 구조가 복원되지 않는 문제점이 있을 수 있다. 따라서, 물의 고상에서 액상으로 상 변화 시 일시적인 부피 변화가 9 %인 것을 감안하면, 메탈폼은 물 기반 상변화 물질 열 교환기에 적합하지 않을 수 있다.At this time, the phase change material heat exchanger may be mounted on an automobile, a spacecraft, or the like. Due to this, the weight of the phase change material heat exchanger must be minimized. That is, the phase change material heat exchanger should be light and free from mechanical defects even in repeated ice and thaw. Here, since the thermal conductivity of the phase change material is relatively lower than that of the metal, it may be desirable to increase the effective thermal conductivity using the metal. For example, since the metal foam (or foam metal) has a large specific surface area, it can be applied to heat transfer of the phase change material. The porosity of the metal foam can be as high as 0.9 or more and this property can be very desirable for reducing the weight of the phase change material heat exchanger. The metal foam may be made of, for example, aluminum, copper, or nickel. However, a metal foam, for example, a metal foam made of aluminum reacts elastically to a deformation of about 4% to 6%, but there may be a problem that the structure is not restored to further deformation. Therefore, considering that the temporary volume change is 9% when the phase changes from the solid phase of the water to the liquid phase, the metal foam may not be suitable for a water-based phase change material heat exchanger.
도 3은 다양한 실시예들에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기를 도시하는 사시도이다. 3 is a perspective view showing a water-based phase change material heat exchanger according to various embodiments.
도 3을 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기(300)는 단열 하우징(310), 열 전달 배관(330) 및 적어도 하나의 탄성 부재(미도시)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3, the water-based phase change
단열 하우징(310)은 물 기반 상변화 물질(미도시)로 충전될 수 있다. 이 때 단열 하우징(310)은 내부에 물 기반 상변화 물질을 저장하고 있을 수 있다. The insulating
열 전달 배관(330)은 단열 하우징(310)의 내부를 관통할 수 있다. 여기서, 열 전달 배관(330)의 양 단부들이 단열 하우징(310)의 외부로 노출될 수 있다. 이 때 열 전달 배관(330)의 내부에서, 유체가 흐를 수 있다. 여기서, 열 전달 배관(330)의 일 단부를 통하여 유체가 인입되고, 열 전달 배관(330)의 타 단부를 통하여 유체가 인출될 수 있다. 그리고 열 전달 배관(330)은 물 기반 상변화 물질에 의해 둘러싸일 수 있다. 이를 통해, 유체와 상변화 물질 사이에서 열이 출입될 수 있다. The
탄성 부재는 물 기반 상변화 물질 열 교환기(300)의 기계적 손상을 방지하도록 제공될 수 있다. 이 때 탄성 부재는 물 기반 상변화 물질의 상 변화 시, 물 기반 상변화 물질 열 교환기(300)의 기계적 손상을 방지할 수 있다. 이를 위해, 탄성 부재는 단열 하우징(310) 또는 열 전달 배관(330) 중 적어도 어느 하나에 장착될 수 있다. 여기서, 탄성 부재는 재질 또는 구조 중 적어도 어느 하나를 기반으로 탄성을 가질 수 있다. 예를 들면, 탄성 부재는 적어도 9 %를 초과하는 탄성 한계를 가질 수 있다. 이를 통해, 탄성 부재는 물 기반 상변화 물질의 상 변화 시 발생되는 응력을 흡수할 수 있다. The elastic member may be provided to prevent mechanical damage to the water-based phase change
도 4는 제 1 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기를 도시하는 단면도들이다. 이 때 도 4의 (a)는 제 1 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기의 측단면을 도시하고 있으며, 도 4의 (b)는 제 1 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기의 A-A’을 따라 절단된 단면을 도시하고 있다. 4 is a cross-sectional views showing a water-based phase change material heat exchanger according to the first embodiment. At this time, Figure 4 (a) shows a side cross-section of the water-based phase change material heat exchanger according to the first embodiment, Figure 4 (b) is a water-based phase change material heat exchanger according to the first embodiment A cross section cut along A-A' of FIG.
도 4를 참조하면, 제 1 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기(예: 도 3의 물 기반 상변화 물질 열 교환기(300))(400)는 단열 하우징(예: 도 3의 단열 하우징(310))(410), 열 전달 배관(예: 도 3의 열 전달 배관(330))(430) 및 탄성 부재(450)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4, the water-based phase change material heat exchanger according to the first embodiment (eg, the water-based phase change
단열 하우징(410)은 물 기반 상변화 물질(420)로 충전될 수 있다. 이 때 단열 하우징(410)은 내부에 물 기반 상변화 물질을 저장하고 있을 수 있다. The insulating
열 전달 배관(430)은 단열 하우징(410)의 내부를 관통할 수 있다. 여기서, 열 전달 배관(430)의 양 단부들이 단열 하우징(410)의 외부로 노출될 수 있다. 이 때 열 전달 배관(430)의 내부에서, 유체가 흐를 수 있다. 여기서, 열 전달 배관(430)의 일 단부를 통하여 유체가 인입되고, 열 전달 배관(430)의 타 단부를 통하여 유체가 인출될 수 있다. 그리고 열 전달 배관(430)은 물 기반 상변화 물질(420)에 의해 둘러싸일 수 있다. 이를 통해, 유체와 상변화 물질(420) 사이에서 열이 출입될 수 있다. 예를 들면, 열 전달 배관(430)은 휜(fin)(미도시)을 포함할 수 있다. 일 예로, 휜은 열 전달 배관(430)의 외벽에 형성되어, 물 기반 상변화 물질(420)과 열 전달 배관(430)의 접촉 면적을 확장시킴으로써, 열 전달 배관(430)의 열 전달 표면을 확장시킬 수 있다. The
탄성 부재(450)는 단열 하우징(410)과 물 기반 상변화 물질(420) 사이에 배치될 수 있다. 이를 위해, 탄성 부재(450)는 단열 하우징(410)의 내벽에 장착될 수 있다. 이를 통해, 탄성 부재(450)가 물 기반 상변화 물질(420)을 에워쌀 수 있다. 바꿔 말하면, 탄성 부재(450)는 열 전달 배관(430)을 가운데 두고, 물 기반 상변화 물질(420)을 캡슐화할 수 있다. 여기서, 탄성 부재(450)는 재질 또는 구조 중 적어도 어느 하나를 기반으로 탄성을 가질 수 있다. 예를 들면, 탄성 부재(450)는 적어도 9 %를 초과하는 탄성 한계를 가질 수 있다. 그리고 탄성 부재(450)는 물 기반 상변화 물질(420)의 상 변화 시 발생되는 응력을 흡수할 수 있다. 즉 탄성 부재(450)는 물 기반 상 변화 물질(420)로부터 단열 하우징(410)으로 응력의 전달을 차단할 수 있다. 이에 따라, 탄성 부재(450)가 단열 하우징(410)의 손상을 방지할 수 있다. The
도 5는 제 2 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기를 도시하는 단면도들이다. 이 때 도 5의 (a)는 제 2 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기의 측단면을 도시하고 있으며, 도 5의 (b)는 제 2 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기의 B-B’을 따라 절단된 단면을 도시하고 있다. 그리고 도 6 및 도 7은 도 5의 탄성 부재를 도시하는 예시도들이다. 5 is a cross-sectional views showing a water-based phase change material heat exchanger according to a second embodiment. 5(a) shows a side cross-section of a water-based phase change material heat exchanger according to the second embodiment, and FIG. 5(b) shows a water-based phase change material heat exchanger according to the second embodiment. A cross-section cut along B-B' of FIG. And FIGS. 6 and 7 are exemplary views showing the elastic member of FIG. 5.
도 5를 참조하면, 제 2 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기(예: 도 3의 물 기반 상변화 물질 열 교환기(300))(500)는 단열 하우징(예: 도 3의 단열 하우징(310))(510), 열 전달 배관(예: 도 3의 열 전달 배관(330))(530) 및 탄성 부재(550)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5, the water-based phase change material heat exchanger (eg, the water-based phase change
단열 하우징(510)은 물 기반 상변화 물질(520)로 충전될 수 있다. 이 때 단열 하우징(510)은 내부에 물 기반 상변화 물질을 저장하고 있을 수 있다. The insulating
열 전달 배관(530)은 단열 하우징(510)의 내부를 관통할 수 있다. 여기서, 열 전달 배관(530)의 양 단부들이 단열 하우징(510)의 외부로 노출될 수 있다. 이 때 열 전달 배관(530)의 내부에서, 유체가 흐를 수 있다. 여기서, 열 전달 배관(530)의 일 단부를 통하여 유체가 인입되고, 열 전달 배관(530)의 타 단부를 통하여 유체가 인출될 수 있다. 그리고 열 전달 배관(530)은 물 기반 상변화 물질(520)에 의해 둘러싸일 수 있다. 이를 통해, 유체와 상변화 물질(520) 사이에서 열이 출입될 수 있다. 예를 들면, 열 전달 배관(530)은 휜(fin)(미도시)을 포함할 수 있다. 일 예로, 휜은 열 전달 배관(530)의 외벽에 형성되어, 물 기반 상변화 물질(520)과 열 전달 배관(530)의 접촉 면적을 확장시킴으로써, 열 전달 배관(530)의 열 전달 표면을 확장시킬 수 있다. The
탄성 부재(550)는 열 전달 배관(530)의 내부에 배치될 수 있다. 이 때 탄성 부재(550)는 열 전달 배관(530)의 내부에서 흐르는 유체를 통과시키면서, 열 전달 배관(530)을 지지할 수 있다. 여기서, 탄성 부재(550)는 재질 또는 구조 중 적어도 어느 하나를 기반으로 탄성을 가질 수 있다. 예를 들면, 탄성 부재(550)는 적어도 9 %를 초과하는 탄성 한계를 가질 수 있다. 그리고 탄성 부재(550)는 물 기반 상변화 물질(520)의 상 변화 시 발생되는 응력을 흡수할 수 있다. 즉 탄성 부재(550)는 물 기반 상 변화 물질(520)로부터 열 전달 배관(530)으로 전달되는 응력을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 탄성 부재(550)가 열 전달 배관(530)의 손상을 방지할 수 있다. 아울러, 탄성 부재(550)는 금속으로 형성될 수 있다. 여기서, 탄성 부재(550)는 열전도도가 높은 금속으로 형성될 수 있다. 탄성 부재(550)는, 예컨대 알루미늄, 구리, 니켈 등의 재질로 형성될 수 있다. 이를 통해, 탄성 부재(550)가 열 전달 배관(530)과 유체 사이의 접촉 표면을 확장시킴으로써, 열 전달 배관(530)의 열 전달 표면을 확장시킬 수 있다.The
예를 들면, 탄성 부재(550)는 다수 개의 탄성 셀(600)들이 셀 구조로 결합된 형상을 가질 수 있다. 여기서, 각각의 탄성 셀(600)은, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같은 다면체의 형상을 기반으로, 높은 공극률을 갖도록 형성될 수 있다. 그리고 각각의 탄성 셀(600)은, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 다면체의 각 면에 장착되는 다수 개의 마이크로 스프링(610)들을 포함할 수 있다. 일 예로, 마이크로 스프링(610)들은 다면체의 모서리들을 형성할 수 있다. 탄성 셀(600)들이 셀 구조로 결합됨에 따라, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 탄성 셀(600)들이 배열될 수 있다. 일 예로, 탄성 부재(550)는, 도 7에 도시된 바와 같이 3D 프린팅 기술을 기반으로 형성될 수 있다. For example, the
도 8은 제 3 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기를 도시하는 단면도들이다. 이 때 도 8의 (a)는 제 3 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기의 측단면을 도시하고 있으며, 도 8의 (b)는 제 3 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기의 C-C’을 따라 절단된 단면을 도시하고 있다. 그리고 도 9는 도 8의 탄성 부재들의 특성을 설명하기 위한 단면도들이다.8 is a cross-sectional views showing a water-based phase change material heat exchanger according to a third embodiment. At this time, Figure 8 (a) shows a side cross-section of the water-based phase change material heat exchanger according to the third embodiment, Figure 8 (b) is a water-based phase change material heat exchanger according to the third embodiment C-C' of the cross section. And Figure 9 is a cross-sectional view for explaining the properties of the elastic members of FIG.
도 8을 참조하면, 제 3 실시예에 따른 물 기반 상변화 물질 열 교환기(예: 도 3의 물 기반 상변화 물질 열 교환기(300))(800)는 단열 하우징(예: 도 3의 단열 하우징(310))(810), 열 전달 배관(예: 도 3의 열 전달 배관(330))(830), 제 1 탄성 부재(예: 도 4의 탄성 부재(450))(851) 및 제 2 탄성 부재(예: 도 5의 탄성 부재(550))(853)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 8, the water-based phase change material heat exchanger (eg, the water-based phase change
단열 하우징(810)은 물 기반 상변화 물질(820)로 충전될 수 있다. 이 때 단열 하우징(810)은 내부에 물 기반 상변화 물질을 저장하고 있을 수 있다. The insulating
열 전달 배관(830)은 단열 하우징(810)의 내부를 관통할 수 있다. 여기서, 열 전달 배관(830)의 양 단부들이 단열 하우징(810)의 외부로 노출될 수 있다. 이 때 열 전달 배관(830)의 내부에서, 유체가 흐를 수 있다. 여기서, 열 전달 배관(830)의 일 단부를 통하여 유체가 인입되고, 열 전달 배관(830)의 타 단부를 통하여 유체가 인출될 수 있다. 그리고 열 전달 배관(830)은 물 기반 상변화 물질(820)에 의해 둘러싸일 수 있다. 이를 통해, 유체와 상변화 물질(820) 사이에서 열이 출입될 수 있다. 예를 들면, 열 전달 배관(830)은 휜(fin)(미도시)을 포함할 수 있다. 일 예로, 휜은 열 전달 배관(830)의 외벽에 형성되어, 물 기반 상변화 물질(820)과 열 전달 배관(830)의 접촉 면적을 확장시킴으로써, 열 전달 배관(830)의 열 전달 표면을 확장시킬 수 있다. The
제 1 탄성 부재(851)는 단열 하우징(810)과 물 기반 상변화 물질(820) 사이에 배치될 수 있다. 이를 위해, 제 1 탄성 부재(851)는 단열 하우징(810)의 내벽에 장착될 수 있다. 이를 통해, 제 1 탄성 부재(851)가 물 기반 상변화 물질(820)을 에워쌀 수 있다. 바꿔 말하면, 제 1 탄성 부재(851)는 열 전달 배관(830)을 가운데 두고, 물 기반 상변화 물질(820)을 캡슐화할 수 있다. 여기서, 제 1 탄성 부재(851)는 재질 또는 구조 중 적어도 어느 하나를 기반으로 탄성을 가질 수 있다. 예를 들면, 제 1 탄성 부재(851)는 적어도 9 %를 초과하는 탄성 한계를 가질 수 있다. 그리고 제 1 탄성 부재(851)는 물 기반 상변화 물질(820)의 상 변화 시 발생되는 응력을 흡수할 수 있다. 즉 제 1 탄성 부재(851)는 물 기반 상 변화 물질(820)로부터 단열 하우징(810)으로 응력의 전달을 차단할 수 있다. 이에 따라, 제 1 탄성 부재(851)가 단열 하우징(810)의 손상을 방지할 수 있다. The first
제 2 탄성 부재(853)는 열 전달 배관(830)의 내부에 배치될 수 있다. 이 때 제 2 탄성 부재(853)는 열 전달 배관(830)의 내부에서 흐르는 유체를 통과시키면서, 열 전달 배관(830)을 지지할 수 있다. 여기서, 제 2 탄성 부재(853)는 재질 또는 구조 중 적어도 어느 하나를 기반으로 탄성을 가질 수 있다. 예를 들면, 제 2 탄성 부재(853)는 적어도 9 %를 초과하는 탄성 한계를 가질 수 있다. 그리고 제 2 탄성 부재(853)는 물 기반 상변화 물질(820)의 상 변화 시 발생되는 응력을 흡수할 수 있다. 즉 제 2 탄성 부재(853)는 물 기반 상 변화 물질(820)로부터 열 전달 배관(830)으로 전달되는 응력을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 제 2 탄성 부재(853)가 열 전달 배관(830)의 손상을 방지할 수 있다. 아울러, 제 2 탄성 부재(853)는 금속으로 형성될 수 있다. 여기서, 제 2 탄성 부재(853)는 열전도도가 높은 금속으로 형성될 수 있다. 제 2 탄성 부재(853)는, 예컨대 알루미늄, 구리, 니켈 등의 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제 2 탄성 부재(853)는, 도 6 또는 도 7에 도시된 바와 같이 다수 개의 탄성 셀(예: 도 6의 탄성 셀(600))들이 셀 구조로 결합된 형상을 가질 수 있다. 이를 통해, 제 2 탄성 부재(853)가 열 전달 배관(830)과 유체 사이의 접촉 표면을 확장시킴으로써, 열 전달 배관(830)의 열 전달 표면을 확장시킬 수 있다.The second
제 3 실시예에 따르면, 물 기반 상변화 물질(820)은, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 단열 하우징(810)과 열 전달 배관(830) 사이에서 정상 상태에 있을 수 있다. 그리고 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 물 기반 상변화 물질(820)이 응결됨에 따라, 물 기반 상변화 물질(820)로부터 응력이 발생될 수 있다. 이 때 제 1 탄성 부재(851)와 제 2 탄성 부재(853)가 응력을 흡수할 수 있다. 즉 제 1 탄성 부재(851)가 물 기반 상 변화 물질(820)로부터 단열 하우징(810)으로 응력의 전달을 차단하고, 제 2 탄성 부재(853)가 물 기반 상 변화 물질(820)로부터 열 전달 배관(830)으로 전달되는 응력을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 단열 하우징(810)과 열 전달 배관(830)의 손상이 방지될 수 있다. 이 후 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 물 기반 상변화 물질(820)이 융해됨에 따라, 물 기반 상변화 물질(820)로부터 응력이 제거될 수 있다. According to the third embodiment, the water-based
다양한 실시예들에 따르면, 물 기반 상변화 물질 열 교환기(300, 400, 500, 800)가 탄성 부재(450, 550, 851, 853)를 이용하여, 물 기반 상변화 물질(420, 520, 820)의 상 변화 시 발생되는 응력을 흡수할 수 있다. 이 때 탄성 부재(450, 550, 851, 853)가 단열 하우징(310, 410, 510, 810) 또는 열 전달 배관(330, 430, 530, 830) 중 적어도 어느 하나에 대응하여, 응력을 흡수할 수 있다. 이를 통해, 단열 하우징(310, 410, 510, 810) 또는 열 전달 배관(330, 430, 530, 830) 중 적어도 어느 하나가 탄성 부재(450, 550, 851, 853)를 통하여 응력으로부터 보호될 수 있다. 이에 따라, 물 기반 상변화 물질 열 교환기(300, 400, 500, 800)에서, 물 기반 상변화 물질(420, 520, 820)의 상 변화에 따른 손상이 방지될 수 있다. According to various embodiments, the water-based phase change material heat exchanger (300, 400, 500, 800) using the elastic member (450, 550, 851, 853), the water-based phase change material (420, 520, 820) ) Can absorb the stress generated when the phase changes. At this time, the elastic member (450, 550, 851, 853) corresponding to at least one of the heat insulating housing (310, 410, 510, 810) or heat transfer pipes (330, 430, 530, 830), to absorb the stress Can. Through this, at least one of the insulating
본 문서의 다양한 실시예들에 관해 설명되었으나, 본 문서의 다양한 실시예들의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 문서의 다양한 실시예들의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구의 범위 뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. Although various embodiments of the present document have been described, various modifications are possible without departing from the scope of the various embodiments of the present document. Therefore, the scope of various embodiments of the present document should not be limited to the described embodiments, but should be defined not only by the scope of the claims described below, but also by the scope and equivalents of the claims.
Claims (10)
물 기반 상변화 물질이 충전된 단열 하우징;
상기 단열 하우징의 내부를 관통하고, 상기 상변화 물질에 의해 둘러싸이는 열 전달 배관; 및
상기 단열 하우징의 내벽에서 상기 상변화 물질을 에워싸는 제 1 탄성 부재를 포함하는 열 교환기.
In the water based phase change material heat exchanger,
An insulating housing filled with a water-based phase change material;
A heat transfer pipe passing through the interior of the insulating housing and surrounded by the phase change material; And
A heat exchanger including a first elastic member surrounding the phase change material on the inner wall of the insulating housing.
상기 열 전달 배관의 내부에 배치되어, 상기 열 전달 배관의 내부에서 흐르는 유체를 통과시키면서, 상기 열 전달 배관을 지지하는 제 2 탄성 부재를 더 포함하는 열 교환기.
According to claim 1,
The heat exchanger is disposed inside the heat transfer pipe, and further includes a second elastic member supporting the heat transfer pipe while passing a fluid flowing inside the heat transfer pipe.
다면체의 형상을 갖는 다수 개의 탄성 셀들이 결합된 구조를 갖고,
상기 다면체의 각 면에 장착되는 다수 개의 마이크로 스프링들을 포함하는 열 교환기.
The method of claim 2, wherein the second elastic member,
It has a structure in which a plurality of elastic cells having the shape of a polyhedron are combined,
A heat exchanger comprising a plurality of micro springs mounted on each side of the polyhedron.
상기 다면체의 모서리들을 형성하는 열 교환기.
The method of claim 3, wherein the micro springs,
A heat exchanger forming the edges of the polyhedron.
금속으로 형성되는 열 교환기.
The method of claim 2, wherein the second elastic member,
Heat exchanger formed of metal.
물 기반 상변화 물질이 충전된 단열 하우징;
상기 단열 하우징의 내부를 관통하고, 상기 상변화 물질에 의해 둘러싸이는 열 전달 배관; 및
상기 열 전달 배관의 내부에 배치되어, 상기 열 전달 배관의 내부에서 흐르는 유체를 통과시키면서, 상기 열 전달 배관을 지지하는 탄성 부재를 포함하는 열 교환기.
In the water based phase change material heat exchanger,
An insulating housing filled with a water-based phase change material;
A heat transfer pipe passing through the interior of the insulating housing and surrounded by the phase change material; And
The heat exchanger is disposed inside the heat transfer pipe and includes an elastic member supporting the heat transfer pipe while passing a fluid flowing inside the heat transfer pipe.
다면체의 형상을 갖는 다수 개의 탄성 셀들이 결합된 구조를 갖고,
상기 다면체의 각 면에 장착되는 다수 개의 마이크로 스프링들을 포함하는 열 교환기.
According to claim 1, The elastic member,
It has a structure in which a plurality of elastic cells having the shape of a polyhedron are combined,
A heat exchanger comprising a plurality of micro springs mounted on each side of the polyhedron.
상기 다면체의 모서리를 형성하는 열 교환기.
The method of claim 7, wherein the micro springs,
A heat exchanger forming the edge of the polyhedron.
금속으로 형성되는 열 교환기.
The method of claim 6, wherein the elastic member,
Heat exchanger formed of metal.
상기 단열 하우징의 내벽에서 상기 상변화 물질을 에워싸는 다른 탄성 부재를 더 포함하는 열 교환기. The method of claim 6,
A heat exchanger further comprising another elastic member surrounding the phase change material on the inner wall of the insulating housing.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190009393A KR20200092177A (en) | 2019-01-24 | 2019-01-24 | Water based phase change material heat exchanger |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190009393A KR20200092177A (en) | 2019-01-24 | 2019-01-24 | Water based phase change material heat exchanger |
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KR1020190009393A KR20200092177A (en) | 2019-01-24 | 2019-01-24 | Water based phase change material heat exchanger |
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