KR20220147746A - 상변화 물질 성능 시험 설비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부에 PCM을 충진할 수 있는 탱크와, 상기 탱크의 상부를 덮어서 폐쇄하는 커버와, 상기 커버에 결합되어 초저온 유체 유입 및 공기를 배출할 수 있는 제1 유입 배출부가 형성된 주배관과, 상기 주배관에 연결되어 형성되고, PCM과의 열교환을 수행하도록 균일 분배를 위해 형성된 전열부와, 상기 탱크의 하부에 연결 결합되어 초저온 유체 배출 및 공기를 유입할 수 있는 제2 유입 배출부가 형성된 연결부와, 상기 커버에는 PCM 충진을 위해 형성된 유입부와, 상기 탱크 하단에는 PCM 교체를 위해 형성된 배출라인과, 상기 탱크 내부의 온도를 측정할 수 있도록 형성된 온도센서와, 상기 탱크 하단부에 형성되며, 탱크 최하단 정수압을 활용한 수위 측정을 위한 압력계 및 상기 탱크의 상부에 설치되며 화염 발생 시 폭발 방지를 위한 역화방지장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질 성능 시험 설비를 제안한다.

Description

상변화 물질 성능 시험 설비{Phase Change Material Performance Test Facility}
본 발명은 초저온 에너지 잠열 저장을 위한 상변화 물질(PCM: Phase Change Material) 활용에 따른 상변화 물질 성능 시험 설비에 관한 것으로, 해당 설비는 초저온 에너지 활용 시스템에 구성되어, 탱크 내부 온도 및 압력 계측에 의한 PCM의 저장 및 배출, 충진 정도의 관찰, 물질 상의 판단, 온도차를 활용한 잠열 활용 성능 평가가 가능한 상변화 물질 성능 시험 설비에 관한 것이다.
상변화 물질(PCM:Phase Change Material) 설비는 일반적으로 상변화 물질을 제조하거나 물 혹은 공기의 단열, 냉·난방장치의 성능 향상을 위한 목적으로 사용된다.
예를들어, ESS(Energy Storage System,에너지저장장치), 중계기, 교통신호기, 분전반 등과 같은 기기는 다양한 전자 장비들을 함체에 수용하여 제작된다.
한편, 전자 장비들을 동작하면서 열이 발생하는데 이 열은 함체 내부의 온도 상승을 유발하고 이 열에 의해 전자 장비의 수명이 단축되며 기능도 저하된다.
온도 상승이 심할 경우 전자 장비들은 오작동이나 동작 불능 상태가 발생하며, 화재에 의해 소실되기도 한다.
이러한 온도상승을 방지하기 위해 일반적으로 함체에는 온도 상승을 억제하기 위한 열교환기가 구비된다.
관련선행 문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2020-0059916호(2020.05.29.)가 공개되어 있다.
선행문헌에서는 히트 파이프 및 상기 히트 파이프의 내부에 충전되는 열교환 유체를 포함하고, 상기 열교환 유체는 PCM(Phase Change Materials, 상변화 물질)과 냉매를 포함하며, 상기 PCM은 상기 히트 파이프의 열과 상기 냉매의 기화열을 동시에 흡수하여 열교환을 수행하는 공조용 열교환기를 개시하고 있다.
그러나 종래 기술은 초저온 환경에서의 활용, PCM 축열 성능 평가 및 다양한 PCM 성능을 실험하기 위한 계측 및 구조적 한계를 가진다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2020-0059916호(2020.05.29.)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 초저온 에너지 활용 시스템에 구성되어 지지구조물 위에 탑재되며, 탱크 내부 온도 및 압력 계측에 의한 PCM의 저장 및 배출, 충진 정도의 관찰, 물질 상의 판단, 온도차를 활용한 잠열 활용 성능 평가가 가능한 상변화 물질 성능 시험 설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 단열 저장탱크, PCM 충진 배관, 배출 배관, 초저온 배관의 분리를 통해 유지보수 및 열교환부 개조가 용이하도록 설계 되었으며, 탱크 상단에는 화염사고 시 폭발을 방지하기 위한 역화방지장치가 설치되고, 밸브를 통해 초저온 유체의 유량제어가 가능하며, 탱크 내부는 초저온 유체와 PCM 간 열 교환을 위한 전열부로 구성되며 관형, 판형, 배관 내외부 휜이 장착된 배관, 이들의 조합된 구성을 포함하여 형상에 제한되지 않고 설치 환경에 따라 변경 될 수 있는 상변화 물질 성능시험 설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 상변화 물질 성능 시험 설비는, 내부에 PCM을 충진할 수 있는 탱크; 상기 탱크의 상부를 덮어서 폐쇄하는 커버; 상기 커버에 결합되어 초저온 유체 유입 및 공기를 배출할 수 있는 제1 유입 배출부가 형성된 주배관; 상기 주배관에 연결되어 형성되고, PCM과의 열교환을 수행하도록 균일 분배를 위해 형성된 전열부; 상기 탱크의 하부에 연결 결합되어 초저온 유체 배출 및 공기를 유입할 수 있는 제2 유입 배출부가 형성된 연결부; 상기 커버에는 PCM 충진을 위해 형성된 유입부; 상기 탱크 하단에는 PCM 교체를 위해 형성된 배출라인; 상기 탱크 내부의 온도를 측정할 수 있도록 형성된 온도센서; 상기 탱크 하단부에 형성되며, 탱크 최하단 정수압을 활용한 수위 측정을 위한 압력계; 및 상기 탱크의 상부에 설치되며 화염 발생 시 폭발 방지를 위한 역화방지장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 온도센서는, 상기 PCM 탱크 내부에 탱크의 높이 방향으로 복수개 형성되며; 상기 주배관에 형성된 제1 온도 압력계와 제2 온도 압력계를 통해 잠열 활용 성능 분석이 가능한 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 유입부는, 증발을 방지하기 위한 블라인드 플랜지(blind flange)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 전열부는 탱크 상단으로부터 탱크 높이의 1/3 내지 1/4 정도 이격되어 위치하도록 배치하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 전열부는, 상기 주배관과 연결되어 복수개로 나눠져 분지배관 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 전열부는 복수개로 나눠진 분지배관 중 어느 하나에 연결되어 가이드부가 형성되며, 상기 탱크 중심부와 가이드부에 서모커플이 배치되어 탱크 중심 및 반지름 방향의 온도 변화를 계측하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 가이드부는 열전도가 낮고 내화학성, 비팽윤을 가지는 유리재질 혹은 테프론(PTFE) 계열 소재로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 초저온 에너지 활용 시스템에 구성되어 지지구조물 위에 탑재되며, 탱크 내부 온도 및 압력 계측에 의한 PCM의 저장 및 배출, 충진 정도의 관찰, 물질 상의 판단, 온도차를 활용한 잠열 활용 성능 평가가 가능하고, 단열 저장탱크, PCM 충진 배관, 배출 배관, 초저온 배관의 분리를 통해 유지보수 및 열교환부 개조가 용이한 효과를 가진다.
또한, 역화방지장치를 통해 화염사고 시 폭발을 방지할 수 있으며, 밸브를 통해 초저온 유체의 유량제어가 가능하며, 탱크 내부는 초저온 유체와 PCM 간 열 교환을 위한 전열부로 구성되며 관형, 판형, 배관 내외부 휜이 장착된 배관, 이들의 조합된 구성을 포함하여 형상에 제한되지 않고 설치 환경에 따라 변경될 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 물질 성능 시험 설비의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 물질 성능 시험 설비의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우, 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 물질 성능 시험 설비의 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 물질 성능 시험 설비의 세부 구성을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 상변화 물질 성능 시험 설비는, PCM(Phase Change Material, 30)을 내부에 충진할 수 있도록 구비되는 탱크(20)와 탱크의 상부에 결합하여 탱크를 밀폐하는 커버(cover, 21)와, 일측이 커버(21)와 결합되어 돌출 형성되며 타측이 탱크 하단부에 위치하는 주배관(23)이 연결되어 초저온 유체가 유입 및 배출이 가능하며, 공기의 배출 및 유입이 가능하도록 한다.
이때, 주배관(23)의 일측에 형성된 제1 유입 배출구(1)는 초저온 유체가 유입되거나 공기가 배출 가능하도록 형성되며, 타측에는 주배관(23)과 연결되어 탱크 외부에 위치하는 연결부(24)가 형성될 수 있으며, 연결부(24)에는 초저온 유체가 배출되거나 공기가 유입 가능하도록 제2 유입 배출구(7)가 형성될 수 있다.
또한, 탱크는 단열 저장탱크로 탱크의 외벽은 단열재(층)로 구성될 수 있다.
또한, 탱크의 상부로 돌출 형성된 주배관(23)과 탱크 하측에 주배관과 연결 형성된 연결부(24)에는 각각 밸브(미도시)가 구비되어 밸브를 통해 초저온 유체의 유량제어가 가능한 것을 나타낸다.
또한, 커버(21)에는 PCM 충진을 위한 PCM 유입부(2)가 구비될 수 있으며, 유입부(2) PCM의 증발을 방지하 기 위해 블라인드 플랜지(blind flange)가 설치될 수 있다.
또한, 탱크 상단에는 화염사고 시 폭발을 방지하기 위한 역화방지장치(3)가 설치될 수 있다.
또한, 탱크에는 육안 관찰을 가능하게 하는 사이트 글라스(sight glass, 미도시)를 설치할 수 있으며, 카메라 또는 센서 류가 삽입될 수 있도록 플랜지(미도시)가 적절한 위치에 구비될 수 있다.
이것에 의해 PCM의 상태를 육안으로 관찰할 수 있으며, 카메라 또는 센서 류를 통해 시험 환경 또는 조건에 따라 사용자가 선택하여 추가적인 측정 데이터를 수집할 수 있다.
또한, 탱크(20) 내부에는 초저온 유체와 PCM 간 열교환을 위한 전열부(13)로 구성되며, 전열부(13) 주밸브와 연결되어 균일 분배 목적을 가지는 분지배관 구조로 형성될 수 있다.
또한, 전열부(13)는 관형, 판형, 배관 내외부 휜(fin)이 장착된 배관, 이들의 조합된 구성을 포함하여 형상에 제한되지 않고 변경하여 구성할 수 있다.
탱크의 탱크 하단부(5)는 플랜지 형태로 형성될 수 있으며 탱크 하단부(5)에 연결되어 형성된 PCM 배출라인(6)과 연결부(24)는 분리 가능한 구조로 탱크와 분리 결합이 가능하여 유지 보수가 용이하도록 형성될 수 있다.
또한, 탱크 하부에는 하단부로 갈수록 좁아지는 테이퍼(taper) 형상을 가질 수 있다.
이것에 의해 PCM 배출 시 탱크 하단부(5)에 PCM이 자연스럽게 모아질 수 있으며, 탱크 하단부(5)에 연결되어 구비된 PCM 배출라인(6)을 통해 PCM이 용이하게 배출될 수 있다.
또한, 탱크 내부에는 PCM의 상전이(phase change)시 열역학적 거동을 적절하게 모니터링 할 수 있도록 PCM 탱크 내부에 멀티 레벨(muli-level), 멀티 포인트(multi-point) 열전대가 구축될 수 있으며, 계측 불확도를 저감할 수 있도록 복수개의 온도 계측 지점으로 구성될 수 있다.
즉, PCM 상태 감시를 위한 탱크 내부 높이 방향에 일정간격으로 복수개의 PCM 상태 온도센서(Thermocouple, 4)가 구비될 수 있다.
또한, PCM 탱크 최하단 정수압을 활용한 수위 측정을 위한 압력계(8)가 구비될 수 있다.
또한, 탱크 내에 위치하는 전열부(13)를 사이에 두고 초저온 유체 입구측의 주배관(23)에 제2 온도 압력계(11)가 구비될 수 있으며, 초저온 유체 배출측의 주배관(23)에 제1 온도 압력계(9)가 구비될 수 있다.
제1 온도 압력계(9)와 제2 온도 압력계(11)를 통해 초저온 유체의 유입 및 배출 시 온도차 계산을 통한 잠열 활용 성능 분석이 가능하다.
또한, 탱크 외벽의 열손실 측정을 위한 탱크 외벽에 제1 온도 센서(10)가 구비될 수 있으며, 단열재(층) 표면 온도차 계측이 가능하다.
또한, 탱크 상단의 열손실 감시를 위한 탱크 커버(21)에 제2 온도 센서(12)가 구비될 수 있으며, 단열재 표면 온도차 계측이 가능하다.
또한, 탱크 커버(21)에는 서모커플(Thermocouple, 15) 다발이 통과할 수 있는 통과홀(14)이 형성되고, 통과홀(14)을 통해 서모커플(15) 다발이 통과 될 수 있으며, 탱크 중심 및 반지름 방향의 온도변화를 계측할 수 있도록 서모커플(15)가 배치될 수 있다.
이것에 의해 PCM의 응결 및 용해상태를 판단할 수 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 탱크(20) 내부에 PCM(30)을 충진하고, 주배관(23)의 제1 유입 배출구(1)를 통해 초저온 유체를 유입시키면, 주배관(23)과 연결되어 형성된 전열부(13)에 초저온 유체가 이동하며, 전열부(13) 하측에 연결 형성된 주배관(23)으로 이동되며, 주배관(23)과 연결 형성된 연결부(24)로 이동되고, 연결부(24)에 형성된 제2 유입 배출구(7)로 초저온 유체가 배출 될 수 있다.
이때 초저온 유체의 이동에 따라 PCM 간 열 교환을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 열 교환을 수행하는 PCM의 세부적인 상태를 측정하기 위해 탱크 내부 높이 방향에 복수개 설치된 PCM 상태 온도센서를 통해 PCM의 위치별 온도를 비교하여 PCM의 상태를 확인할 수 있다.
또한, 탱크 하단부(5)에는 압력계(8)가 구비되어 PCM 탱크 최하단의 정수압을 활용한 수위를 측정할 수 있다.
또한, 제1 온도 압력계(9)와 제2 온도 압력계(11)를 통해 초저온 유체의 유입 및 배출 시 온도차 계산을 통하여 잠열 활용 성능 분석이 가능하며, 제1 온도 센서(10)와 제2 온도 센서(12)를 통해 단열재 표면 온도차 계측이 가능한 것을 특징으로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 탱크 중심부와 초저온 유체와 PCM 간 열 교환을 위한 전열부는 복수개로 나누어진 분지배관 형태로 형성될 수 있으며, 복수개로 형성된 분지배관 중 어느 하나에 연결되어 가이드부(16)가 형성될 수 있으며, 서모커플(15)는 탱크 중심부와 가이드부(16)에 배치될 수 있다.
여기서 전열부(13)의 분지배관은 복수개 형성될 수 있으며, 각각의 분지배관은 상호 동일 간격으로 이격되어 초저온 유체가 균일 분배되어 열 교환 할 수 있도록 형성될 수 있다.
본 발명에서는 8개의 분지배관(13a 내지 13h)을 형성하는 것을 개시하고 있지만 이에 한정되는 것은 아니고, 4개 내지 12개 등 환경에 따라 분지배관의 수는 변경될 수 있음은 물론이다.
가이드부(16)는 PCM의 응결 및 용해상태 판단, 열전도가 낮고 내화학성, 비팽윤을 가지는 유리재질 혹은 테프론(PTFE) 계열 소재로 구성되는 가이드 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
따라서, 초저온 유체 배관(전열부) 내 입,출구 온도 및 차압 계측을 위한 계측기를 설치하여 온도차에 따른 열전달 성능을 모니터링 할 수 있으며, 주 전열관은 목적에 따라 교체가 용이하도록 상하부 플랜지를 활용해 연결하되, 전열부는 PCM의 응결 시 수축에 의한 빈 공간이 발생 되므로, 이를 고려하여 상단으로부터 탱크 높이의 약 1/3 내지 1/4 정도로 이격되도록 내려 위치하도록 배치한다.
초저온 유체 유량제어를 위한 밸브(미도시), 역화방지장치(3), PCM의 원활한 충진 및 배출 위한 입, 출구(2, 6)가 존재하며, 탱크 상부 커버(21) 구조는 탈거가 가능하도록 하여 아세톤, 계면활성제 등을 활용한 세척이 용이하도록 체결될 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 잠열 저장성능 실험을 포함, 다양한 조성의 초저온 PCM에 대한 열역학적 특성을 실험 할 수 있으며, 전열부 최적 설계에 활용 가능 할 뿐만 아니라 장치로부터 획득된 데이터는 수치해석 모델 개발 및 검증에 활용이 가능한 효과를 가진다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
1: 제1 유입 배출구 2: PCM 유입부
3: 역화방지장치 4: PCM 상태 온도센서
5: 탱크 하단부 6: PCM 배출 라인
7: 제2 유입 배출구 8: 압력계
9: 제1 온도 및 압력계 10: 제1 온도 센서
11: 제2 온도 압력계 12: 제2 온도 센서
13: 전열부 14: 통과홀
15: 서모커플(Thermocouple) 16: 가이드부
20: 탱크 21: 커버(cover)
22: 탱크 하부 23: 주배관
24: 연결부 30: PCM(Phase Change Material)

Claims (7)

  1. 내부에 PCM을 충진할 수 있는 탱크;
    상기 탱크의 상부를 덮어서 폐쇄하는 커버;
    상기 커버에 결합되어 초저온 유체 유입 및 공기를 배출할 수 있는 제1 유입 배출부가 형성된 주배관;
    상기 주배관에 연결되어 형성되고, PCM과의 열교환을 수행하도록 균일 분배를 위해 형성된 전열부;
    상기 탱크의 하부에 연결 결합되어 초저온 유체 배출 및 공기를 유입할 수 있는 제2 유입 배출부가 형성된 연결부;
    상기 커버에는 PCM 충진을 위해 형성된 유입부;
    상기 탱크 하단에는 PCM 교체를 위해 형성된 배출라인;
    상기 탱크 내부의 온도를 측정할 수 있도록 형성된 온도센서;
    상기 탱크 하단부에 형성되며, 탱크 최하단 정수압을 활용한 수위 측정을 위한 압력계; 및
    상기 탱크의 상부에 설치되며 화염 발생 시 폭발 방지를 위한 역화방지장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질 성능 시험 설비.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도센서는, 상기 PCM 탱크 내부에 탱크의 높이 방향으로 복수개 형성되며;
    상기 주배관에 형성된 제1 온도 압력계와 제2 온도 압력계를 통해 잠열 활용 성능 분석이 가능한 것을 특징으로 하는 상변화 물질 성능 시험 설비.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유입부는,
    증발을 방지하기 위한 블라인드 플랜지(blind flange)가 구비되는 것을 특징으로 하는 상변화 물질 성능 시험 설비.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전열부는 탱크 상단으로부터 탱크 높이의 1/3 내지 1/4 정도 이격되어 위치하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질 성능 시험 설비.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전열부는,
    상기 주배관과 연결되어 복수개로 나눠져 분지배관 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 상변화 물질 성능 시험 설비.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전열부는 복수개로 나눠진 분지배관 중 어느 하나에 연결되어 가이드부가 형성되며,
    상기 탱크 중심부와 가이드부에 서모커플이 배치되어 탱크 중심 및 반지름 방향의 온도 변화를 계측하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질 성능 시험 설비.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 가이드부는 열전도가 낮고 내화학성, 비팽윤을 가지는 유리재질 혹은 테프론(PTFE) 계열 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 상변화 물질 성능 시험 설비.


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