KR20210021188A - 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치 - Google Patents

수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체 수소 저장 시스템의 경량화 및 내부의 수소가스 유동을 원활하게 하는 것을 목적으로 하는 무게 감소 및 저항 감소로 인한 수소 가스 유동량의 증가가 가능한 다공망(mesh) 구조를 가진 다공망 구조의 핀 장치에 관한 것으로, 열교환기용 핀을 길이 방향으로 설계할 발생할 수 있는 원주 방향의 수소가스 유동을 방해하는 역할을 하는 부정적 효과를 해결할 수 있으며, 다공망 구조를 통해 마찰력을 줄임으로써 핀 주변의 수소가스 유동을 더욱 원활하게 할 수 있는 효과가 존재한다.

Description

수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치{pin apparatus with mesh structure for heat exchanger based on hydrogen storage system}
본 발명은 고체 수소 저장 시스템의 경량화 및 내부의 수소가스 유동을 원활하게 하는 것을 목적으로 하는 열교환기 용 핀(Fin) 장치에 대한 것으로, 더욱 자세하게는 무게 감소 및 저항 감소로 인한 수소 가스 유동량의 증가가 가능한 다공망(mesh) 구조를 가진 다공망 구조의 핀 장치에 대한 것이다.
최근, 차세대 자동차로 EV/HEV/PHEV 등 하이브리드 차에 이어 최근 들어 수소연료전지 차량(FCEV)의 개발이 활발히 진행되고 있다.
수소연료전지 차량에서는 차량의 주행 거리 증대를 위하여 제한된 공간에 최대한 많은 수소를 수용해아 하므로, 수소 가스를 압축하여 저장하여야 하고, 이에 따라 수소 저장 방식으로 기체상태의 수소를 압축하여 고압 탱크에 저장하는 방식이 사용되는 것이 일반적이고, 같은 수소 용량을 저압 조건 및 작은 부피에 저장할 수 있는 고체화합물에 수소를 흡장하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.
그런데, 고체화합물에 수소를 흡장할 때에는 반응열이 발생되며, 이러한 반응열은 발열 반응이며, 주위의 고체화합물 구조에 영향을 주어 수소가 고체화합물에 흡장되는 속도가 느려지게 된다는 문제점이 존재한다.
수소를 흡장하여 저장할 때에는 상기와 같은 발열 반응이 일어나는 반면, 수소연료 차량이 주행하여 수소가 탈장될 때는 주의의 열을 흡수하는 흡열 반응이 일어나게 된다.
이때 고체화합물의 반응 온도까지 열이 추가적으로 공급되어야 하나, 차량용 폐열을 활용한 경우 반응 온도까지 열 공급이 어렵다는 문제점이 존재하므로, 열을 제거하거나, 공급하기 위한 용도로 열교환기가 필수적으로 요구되는 상황이 존재한다.
종래의 기술은 대부분은 고압 탱크 내에, 발생된 반응열을 탱크 내 제한된 공간에 형성된 열교환기를 이용하여 제거하는 방식으로, 열교환기와 고체화합물이 내부에 적절히 배치된 형태를 갖는다.
그러나, 이러한 종래의 기술에 따르면 고압 탱크는 수소 충전 시, 입구에서부터 용기의 하부에 위치한 고체 화합물까지 모두 충전이 되어야 하는데, 판 형태의 핀(Fin)과 같이 열교환기를 구성하는 부재들로 인해 수소의 이동이 원활하지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 종래의 수소 충전 시 열교환기에서 주로 사용되고 있던 판 형태의 핀의 무게 감소 및 수소 이동의 어려움에 대한 문제점을 해결하기 위하여 판형태의 핀을 다수의 홀을 가지는 메쉬 구조의 다공성 핀을 생성하고, 이에 가열 튜브를 연결함으로써 판 형태의 핀과 대비하여 무게를 감소시키면서도 수소의 이동을 원활하게 하는 효과를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치는 일정한 지름을 가지며 길이 방향으로 길게 형성된 튜브 구조의 제1, 2 가열 튜브; 및 일정한 두께를 가지는 넓은 판형 구조를 가지고 있으며, 판의 상단면과 하단면 각각 제1, 2 가열튜브가 연결되어 있고, 상기 판은 다수의 홀을 가지고 있는 메쉬 구조를 가지는 다공성 핀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 다공성 핀은, 상기 판의 상단면 좌측에 제1 가열튜브와 연결되고, 상기 판의 하단면 우측에 제2 가열 튜브와 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 다공성 핀의 열이 제1, 2가열튜브에 전도될 수 있도록 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 다공성 핀은, 원소재로 열전도도가 높은 다공성 소재를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 다공성 핀은, 상기 판에 형성되어 있는 다수의 홀에 저중량 고전도도 탄소계 첨가물을 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 다공성 핀은, 상기 저중량 고전도도 탄소계 첨가물로 공간에 ENG(Expanded Natural Graphite), 그래핀 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 다공성 핀은, 상기 열교환기의 성능, 가열 튜브의 구조 및 소재에 따라 상기 판의 재질, 두께, 상기 판에 존재하는 다수의 홀의 크기 및 배치가 변화할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 적어도 하나의 상기 핀 장치는, 냉각 기능을 수행하는 일정한 지름을 가지며 길이 방향으로 길게 형성된 튜브 구조를 가진 적어도 하나의 냉각 튜브를 포함하며, 상기 적어도 하나의 다공성 핀 장치 및 적어도 하나의 냉각튜브의 사이를 수소 저장 소재로 채워 수직방향으로 긴 원통 형태의 구조로 형성된 수소 저장 장치에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 적어도 하나의 상기 수소 저장 장치는, 원통 형태의 중앙에 수소 가스를 주입 받는 수소 가스 주입부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면 열교환기용 핀을 길이 방향으로 설계할 발생할 수 있는 원주 방향의 수소가스 유동을 방해하는 역할을 하는 부정적 효과를 해결할 수 있으며, 다공망 구조를 통해 마찰력을 줄임으로써 핀 주변의 수소가스 유동을 더욱 원활하게 할 수 있다.
또한 핀을 다공성 형상으로 가공함으로써 무게를 저감하여 시스템 무게저장밀도 향상 효과도 얻을 수 있으며, 열전도도가 우수한 다공성 소재를 원소재로 하여 핀 장치를 생성하면 형상 가공 공정도 생략이 가능한 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치를 나타낸 도면이다.
도 2은 도 1에 도시된 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치의 측면도를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치의 배면도를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 개시된 다공성 핀의 메쉬 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 핀 장치를 포함한 수소 저장 장치의 단면을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 핀 장치를 포함한 수소 저장 장치의 전체 형태를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치(1000)를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면 핀 장치는 제1 가열 튜브(100), 제2 가열 튜브(200), 다공성 핀(300)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제1 가열 튜브(100) 및 제2 가열 튜브(200)는 일정한 지름을 가지며 길이 방향으로 길게 형성된 튜브 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제1 가열 튜브(100) 및 제2 가열 튜브(200)는 다공성 핀(300)과 다른 개별적인 재질로 형성될 수 있으며, 또 다른 실시 예에 따르면 다공성 핀(300)과 동일한 재질로 형성될 수도 있다.
다공성 핀(300)은 일정한 두께를 가지는 넓은 판형 구조를 가질 수 있다.
또한 다공성 핀(300)은 판의 상단면과 하단면 각각 제1, 2 가열튜브가 연결될 수 있으며, 판은 다수의 홀을 가지고 있는 메쉬 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 다공성 핀(300)은 원소재로 열전도도가 높은 다공성 소재를 이용할 수 있다.
상기 실시 에에 따르면 다공성 소재를 이용함으로써 전체 무게를 절감할 수 있으며, 형상 가공 공정을 생략할 수 있어 생산 단가 및 시간을 절약할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 다공성 핀(300)은 형성되어 있는 다수의 홀에 저중량 고전도도 탄소계 첨가물을 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 저중량 고전도도 탄소계 첨가물로 공간에 ENG(Expanded Natural Graphite), 그래핀 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 다공성 핀(300)은 열교환기의 성능, 가열 튜브의 구조 및 소재에 따라 다공성 핀(300)의 판의 재질, 두께, 상기 판에 존재하는 다수의 홀의 크기 및 배치가 변화할 수 있다.
도 2은 도 1에 도시된 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치의 측면도를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면 다공망 구조의 핀 장치(1000)는 다공성 핀(300)에 포함된 판의 상단면과 하단면 각각 제1, 2 가열튜브가 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 판의 상단면과 하단면 각각 제1, 2 가열튜브가 연결됨에 있어, 다공성 핀(300)과 서로 다른 재질로 만들어진 제1, 2 가열튜브를 다공성 핀(300)과 동일한 재질로 가열튜브를 감아 연결할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면 다공성 핀(300)과 서로 같은 재질로 제1, 2 가열튜브의 형태를 형성함으로써 다공성 핀(300)과 제1, 2, 가열 튜브를 연결할 수 있다.
상기 2가지 실시 예 모두 다공성 핀의 열이 제1, 2가열튜브에 전도될 수 있도록 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 다공성 핀(300)의 판의 상단면 좌측에 제1 가열튜브와 연결되고, 판의 하단면 우측에 제2 가열 튜브와 연결될 수 있다
도 3은 도 1에 도시된 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치의 배면도를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면 다공망 구조의 핀 장치의 배면도가 나타나 있으며, 본 발명의 일 실시 시 예 따르면 다공성 핀(300)의 판의 상단면 우측에 제1 가열튜브와 연결되고, 판의 하단면 좌측 제2 가열 튜브와 연결될 수도 있다.
도 4는 도 1에 개시된 다공성 핀의 메쉬 구조를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면 다공성 핀(300)의 메쉬 구조가 나타나 있으며, 다공성 핀(300)의 메쉬 구조는 열교환기의 성능, 가열 튜브의 구조 및 소재에 따라 판의 재질, 두께, 판에 존재하는 다수의 홀의 크기 및 배치가 변화할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 다공성 핀(300)은 형성되어 있는 다수의 홀에 저중량 고전도도 탄소계 첨가물을 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 저중량 고전도도 탄소계 첨가물로 공간에 ENG(Expanded Natural Graphite), 그래핀 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 핀 장치를 포함한 수소 저장 장치(10)의 단면을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 적어도 하나의 핀 장치(1000)를 포함한 수소 저장 장치(10)은 냉각 기능을 수행하는 일정한 지름을 가지며 길이 방향으로 길게 형성된 튜브 구조를 가진 적어도 하나의 냉각 튜브를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따르면 수소 저장 장치(10)는 적어도 하나의 수직방향 핀 장치(1000) 및 적어도 하나의 냉각튜브(2000) 사이를 수소 저장 소재(3000)로 채워 수직방향으로 긴 원통 형태의 구조로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 수소 저장 장치(10)는 원통 형태의 중앙에 수소 가스를 주입 받는 수소 가스 주입부(4000)를 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 핀 장치를 포함한 수소 저장 장치의 전체 형태를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면 도 5의 본 발명의 실시 예에 따른 핀 장치를 포함한 수소 저장 장치(10)의 단면에 대한 전체 원통형 구조에 대하여 도시하고 있으며, 수소 저장 장치(10)는 수직방향 핀 장치(1000) 및 적어도 하나의 냉각튜브(2000), 수소 저장 소재(3000), 수소 가스 주입부(4000)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 일정한 지름을 가지며 길이 방향으로 길게 형성된 튜브 구조의 제1, 2 가열 튜브; 및
    일정한 두께를 가지는 넓은 판형 구조를 가지고 있으며, 판의 상단면과 하단면 각각 제1, 2 가열튜브가 연결되어 있고, 상기 판은 다수의 홀을 가지고 있는 메쉬 구조를 가지는 다공성 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치.
  2. 제 1 항에 있어서 상기 다공성 핀은,
    상기 판의 상단면 좌측에 제1 가열튜브와 연결되고, 상기 판의 하단면 우측에 제2 가열 튜브와 연결되는 것을 특징으로 하는 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 핀의 열이 제1, 2가열튜브에 전도될 수 있도록 연결되는 것을 특징으로 하는 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치.
  4. 제 1 항에 있어서 상기 다공성 핀은,
    원소재로 열전도도가 높은 다공성 소재를 이용하는 것을 특징으로 하는 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치.
  5. 제 1 항에 있어서 상기 다공성 핀은,
    상기 판에 형성되어 있는 다수의 홀에 저중량 고전도도 탄소계 첨가물을 충진하는 것을 특징으로 하는 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치.
  6. 제 5 항에 있어서 상기 다공성 핀은,
    상기 저중량 고전도도 탄소계 첨가물로 공간에 ENG(Expanded Natural Graphite), 그래핀 중 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치.
  7. 제 1 항에 있어서 상기 다공성 핀은,
    상기 열교환기의 성능, 가열 튜브의 구조 및 소재에 따라 상기 판의 재질, 두께, 상기 판에 존재하는 다수의 홀의 크기 및 배치가 변화하는 것을 특징으로 하는 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치.
  8. 제 1 항에 있어서 적어도 하나의 상기 핀 장치는 ,
    냉각 기능을 수행하는 일정한 지름을 가지며 길이 방향으로 길게 형성된 튜브 구조를 가진 적어도 하나의 냉각 튜브를 포함하며, 상기 적어도 하나의 핀 장치 및 적어도 하나의 냉각튜브의 사이를 수소 저장 소재로 채워 길이 방향으로 긴 원통 형태의 구조로 형성된 수소 저장 장치에 포함되는 것을 특징으로 하는 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치.
  9. 제 8 항에 있어서 적어도 하나의 상기 수소 저장 장치는 ,
    원통 형태의 중앙에 수소 가스를 주입 받는 수소 가스 주입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 저장 시스템 기반의 열교환기에 사용 가능한 다공망 구조의 핀 장치.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220126059A (ko) * 2021-03-08 2022-09-15 주식회사 에스에이씨 수소 방출 시스템

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