KR940011075B1 - 화학반응을 이용하는 히트펌프용 반응용기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

화학반응을 이용하는 히트펌프용 반응용기

제 1 도는 본 발명의 반응용기(히트펌프 유니트)에 대한 분해사시도.

제 2 도는 본 발명의 조립상태로서 제 1 및 제 2 반응용기를 연결통로관으로 연결 설치한 정면도.

제 3 도는 본 발명의 반응용기에 대한 종단면도.

제 4 도는 제 3 도의 "A"에 대한 확대도.

제 5 도는 본 발명의 필토에 대한 발췌 확대사시도로서, 제 5a 도는 망으로 하여 마는 상태를 도시한 것이고, 제 5b 도는 스틱형으로 형성시킨 상태를 도시한 것이다.

제 6 도는 본 발명의 열방출판에 대한 발췌 확대사시도.

제 7 도는 본 발명의 압력용기용 튜브에 대한 다른 실시예의 사시도.

제 8 도는 본 발명의 압력용기용 튜브에 대한 다른 실시예의 구성을 나타낸 정면도.

제 9a 도는 제 8 도의 측면에서 본 단면도이고 제 9b 도는 일부 분해 사시도.

제 10 도는 본 발명의 열방출판에 대한 다른 실시예로서 제 10a 도는 일부를 절개한 사시도이고 제 10b 도는 제 10a 도의 요부확대 단면도.

제 11 도는 본 발명의 반응용기에 대한 다른 실시예의 사시도.

제 12 도는 본 발명의 반응용기에 대한 또다른 실시예의 정면도.

제 13 도는 제 11 도의 평면도.

제 14 도는 제 1 및 제 2 반응용기에 연결통로관을 연결하여 도시한 개략도.

제 15 도는 금속수소화합물의 생성 및 분해과정이 반복적으로 발생하는 상태의 원리도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

A : 제 1 반응용기 B : 제 2 반응용기

1 : 제 1 캡 1' : 제 2 캡

2,2' : 케이스 3 : 설치공

4 : 압력용기용튜브 5,5' : 열방출판

6 : 삽입공 7 : 돌출부

8 : 스크린 필터 9 : 필터

10 : 금속수소화합물 11 : 연결통로관

12 : 열전달용망 13,13' : 지지판

본 발명은 금속수소화합물이 내장되는 히트펌프(Hydride heat Pump)용 반응용기를 구성하여 냉방 및 난방효과를 얻을 수 있도록 한 화학반응을 이용하는 히트펌프용 반응용기에 관한 것이다.

금속수소화합물에 수소를 저장하는 방법은 아래의 (1) 반응과 같은 금속과 수소사이의 가역적인 화학반응을 이용한다.

M+2/xH₂↔MHx+Q(cal) ……………………… (1)

(M : 순금속이나 합금, 예를들면 LaNi₃, MmNi₅, FeTi, Mg₂Ni, Q(Q₁,Q₂,Q₃,Q₄) : (1)의 반응에 대한 반응열)

금속이나 합금이 수소를 흡수하여 금속수소화합물을 형성하는 반응은 발열반응이므로 수소압력을 높이거나 분위기 온도를 낮추면 수소를 쉽게 흡수할 수 있으며, 반대로 금속수소화합물이 분해되어 수소를 방출하는 반응은 흡열반응이므로 수소압력을 낮추거나 분위기 온도를 높이면 쉽게 수소가 방출된다. 또 이 반응은 가역적으로 일어나므로 수소저장합금으로서의 이용이 가능하다. 수소저장합금이 수소를 흡수하여 금속수소화합물을 생성할때는 Qcal 만큼 발열하고 금속수소화합물이 분해하여 수소를 방출할때는 반대로 흡열한다. 이 발열, 흡열의 가역반응을 효과적으로 이용하면 열에너지를 저장, 공급할 수 있으며 열반환매체로서도 이용이 가능하다.

즉 평형수소압력(Equilibrium Plateau Pressure)이 다른 두 종류의 수소저장합금을 도시된 제 14 도에서와 같이 서로 다른 반응용기(A),(B)에 넣는다. 외부에서 반응용기에 열을 가하여 줌으로써 수소를 이동시켜 금속수소화합물의 생성 및 분해과정이 반복적으로 일어나게 할 수 있다.

구체적인 작동원리를 도시된 제 15 도에 의하여 설명한다.

도시된 제 15 도에 두가지의 서로 다른 금속수소화합물을 이용한 히트펌프의 난방 및 냉방 사이클을 나타내었다.

도시된 제 15a 도를 예로하여 난방의 원리를 살펴보면 다음과 같다. 처음에 반응용기(A)에 들어 있는 금속은 수소화합물의 상태를 반응용기(B)에 들어있는 금속은 수소를 흡수하지 않은 상태로 존재하고 두 반응용기가 연결되어 있다고 하면,

1단계((1)→(2))

저급에너지의 열원으로부터 열량을 공급받아 반응용기 A를 Th(고온)로 가열하고 반응용기 B를 Tm(중간온도)의 온도로 유지하면 반응용기 A의 수소화합물은 분해하여 수소를 방출하고 이 수소는 두 반응용기 사이를 연결하는 통로(C)를 따라 반응용기 B로 이동하고 반응용기 B에서는 수소화 반응이 진행된다. 그런데 이 반응은 발열반응이므로 Tm의 온도에서 외부로 Q₂의 열을 발생한다.

2단계((2→(3), (1)→(4))

반응용기 A에 열량을 공급하는 저급에너지원과 반응용기간의 연결통로(C)를 차단하고 각각의 반응용기의 온도를 각각 Tm과 Te의 상태로 낮춘다.

3단계((3)→(4))

반응용기 B에서는 저온의 열원으로부터 Q를 받아들여 수소화합물을 분해하고 이때 분해된 수소는 연결통로(C)를 차단하고 각각 반응용기(A)ㆍ(B)의 온도를 각각 Tm(중간온도)과 Te(저온온도)의 상태로 낮춘다.

4단계((3)→(2), (4)→(1))

반응용기들의 온도는 각각 Th와 Tm으로 가열한다.

이와 같은 사이클을 계속적으로 반복하면 Tm의 온도에서 Q와 Q₄의 열이 계속적으로 외부로 방출되어 난방을 하게 된다. 도시된 제 15b 도의 경우도 이와 같은 방법으로 사이클을 반복하면 냉방을 할 수 있다. 종래에는 상기와 같은 원리를 이용하여 여러종류의 반응용기가 제안되었다.

가장 많이 제안된 형태는 실린더형 압력용기 내부에 열전달 매체를 설치하는 종류이다(미국특허 제 4,457,136호, 미국특허 제 4,510,759호, 미국특허 제 4,523,634호, 미국특허 제 4,964,524호) 이는 반응열의 빠른 열교환을 위해서 실린더형 반응용기 내부에 금속핀관(Metallic Fin Tube)을 접촉시키거나 벌집모양의 핀이나 판형의 핀을 부착시키는 방법이 제안되었다. 다른 예로서 열전달핀이 부착된 열전달 파이프를 반응용기내부에 설치하기도 하였다. 앞선 발명가들은 이같은 반응용기를 이용하여 히트펌프를 구성시켜 성능실험을 행하였다. 그 결과 용기내부에 금속핀관을 접촉시킨 반응용기를 사용한 히트펌프의 성능이 가장 좋았으며, 이 경우 LaNi₅와 LaNi Al 합금을 각각 20Kg씩을 사용한 히트펌프의 냉방능력을 조사한 결과 2330Kcal/hr를 나타내었다. 즉 113Kcal/hrㆍKg alloy의 값을 나타내었다. 그런데, 이처럼 실린더 용기내에 열전달 매체인 금속핀관을 부착시키는 경우에는 냉방능력이 낮았으며, 특히 실린더 내부에 금속핀관을 접촉시켜야 함으로 제조공정이 복잡하다는 문제점을 지니고 있다. 그리고 수소압력 용기내부에 열전달 매체를 설치하지 않고 용기의 내부벽을 통하여서만 열교환을 하는 방식도 제안되었다. 이 방식은 열교환 특성이 우수하나 용기내에서 수소의 확산(이동)이 어렵거나 금속수소화합물 형성시 부피 팽창에 따른 기계적응력이 매우커져 용기의 변형이 나타나는 문제점이 제기되었다. 최근에 자동차의 라디에이터를 금속수소화합물의 수소저장용 용기로 사용하려는 시도가 있었다(미국특허 제 4,599,867호). 즉 라디에이터의 열전달 핀의 표면에 금속수소화합물의 분말을 입힌 것이다. 이 용기의 경우 열전달 특성은 향상되나 수소의 이동이 어려울 것으로 예상되어 히트펌프용으로 사용할 경우 냉방능력이 매우 적을 것이라고 생각된다.

금속수소화합물을 이용한 히트펌프의 이상적인 조건은 반응용기가 고압수소 분위기(5∼15기압)하에서 작동되므로 고압에 견딜 수 있어야 한다. 또한 제조공정이 간단하고 제조가격이 저렴해야 성능이 우수하고 경제성이 있는 히트펌프를 제작할 수 있는 것이다. 그리고 또한 냉ㆍ난방능력(Cooling(or Heating) Power)이나 냉ㆍ난방 효율(Coefficient of Performance)을 높이기 위해서는 히트펌프를 구성하는 부품중 금속수소화합물이 채워지는 반응용기가 금속수소화합물 생성이나 분해시 발생하는 반응열을 빠르게 외부와 교환시켜 주어야 한다. 그런데 상기에서 설명한 앞선 발명들은 이와 같은 히트펌프의 이상적인 조건을 갖추지 못하였던 것이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해결하고 히트펌프의 이상적인 조건을 갖추도록 발명된 것이다. 즉 금속수소화합물을 이용한 히트펌프의 냉ㆍ난방능력이나 냉ㆍ난방효율을 더욱 높게 하고 고압에 견딜 수 있게 하며 저급에너지와 폐열을 이용할 수 있게 하여 에너지 절역을 가져올 수 있음은 물론 프레온 가스를 사용치 않아 무공해의 효과를 가져올 수 있고 또한 제작공정이 간단하여 작업공수를 절감할 수 있도록 함에 그 목적이 있는 것이다.

이하, 실시예로서 도시하여 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도시된 제 1 도 내지 제 4 도에 의하여 설명한다.

도시된 제 1 도는 본 발명의 히트펌프 유니트를 분해사시도로서 도시한 것이고, 제 2 도는 본 발명의 조립된 상태로써 제 1 및 제 2 히트펌프 유니트를 연결통로관으로 일정한 정면도이며, 제 3 도는 본 발명의 히트펌프유니트에 대한 종단면도이다. 그리고 제 4 도는 제 3 도의 "A"부분에 대한 확대도이다.

히트펌프 유니트(또는 반응용기라고도 칭한다)로써 양측부에 각각 제 1 및 제 2 캡(1),(1')을 밀봉하여 케이스(2)(2')를 형성하고 제 1 캡(1')에는 다수의 설치공(3)을 배열하여 형성하며 이들에는 중공체로 된 압력용기용 튜브(4)를 삽착한다. 그리고 압력용기용 튜브(4)의 외측에는 다수의 열방출판(5)을 삽착한다. 즉 도시된 제 2 도 및 제 3 도에서와 같이 양측의 케이스(2)(2')사이에 배열되도록 삽착한다. 삽착하는 수단으로서 열방출판(5)에 상기의 설치공(3)과 동일한 배열로 다수의 삽입공(6)을 형성하여 상기의 튜브(4)를 삽착한다. 열방출판(5)에는 열방출을 높이기 위하여 다수의 돌출부(7)를 형성하고, 재질은 구리(Cu)나 알루미늄(Al)으로 하면 바람직하다.

상기, 케이스(2)(2')내에는, 즉 제 1 및 제 2 캡(1),(1')간에는 구리재로된 스크린필터(8)를 내설한다.

그리고, 상기 압력용기용 튜브(4)내에는 튜브(4)의 구성에 따른 실시예로서 필터(9)를 삽설한다. 이 필터(9)는 동(Cu)계 합금이나 알루미늄(Al)계 합금 또는 스테인레스로 된 망(net)을 말아서 이루어진 것이다.

이상과 같이 하여 히트펌프 유니트가 구성되고 히트펌프 유니트의 케이스(2), (2')와 튜브(4)에 분말로 된 금속수소화합물(10)을 넣어 도시된 제 2 도에서와 같이 제 1 반응용기(A)와 제 2 반응용기(B)로 하여 이들간에는 연결통로관(11)으로 연결한다.

상기, 금속수소화합물(10)로써 제 1 및 제 2 반응용기(A), (B)에는 지르코늄계 라베스상 합금쌍

{Zr_aTi_bV₁-a-b(Cr_xFe_yMn₁-x-y)₂-Zr_a'Ti_b'V₁-a'-b'(Cr_x'Fe_y'Mn₁-x'-y')₂}을 500g∼1000g씩 넣었다.

그리고 연결통로관(11) 입구에는 소결된 구리나 알루미늄재로 된 망(12')을 설치하였다.

이와 같이 구성된 본 발명은 제 1 반응용기(A)에 외부로부터 저급에너지의 열량을 공급하여(이하에서는 도시된 제 15a,b 도도 함께 참조하여 설명이 이루어진다) 제 1 반응용기(A)를 고온(Th)으로 가열하고 제 2 반응용기(B)를 중간온도(Tm)로 유지케하면 제 1 반응용기(A)의 금속수소화합물(10)은 분해하여 수소를 방출하고 방출된 이 수소는 두 반응용기(A),(B)를 연결하는 연결통로관(11)을 따라 제 2 반응용기(B)로 이동한다. 이때 제 2 반응용기(B)에서는 수소화 반응이 진행된다. 그런데 이 반응은 발열반응이므로 중간온도(Tm)에서 외부로 Q₂의 열을 발생한다.

이와 같은 상태를 1단계((1)→(2))라고 정한다. 이어서 제 1 반응용(A)에 열량을 공급하는 저급에너지원과 두 반응용기(A),(B)간의 연결통로관(11)을 차단하고(이에 대한 구체적인 수단은 통상의 자동밸브등을 이용하면 되므로 도시와 설명을 생략하였다) 각각의 반응용기(A),(B) 온도를 각각 Tm(중간온도)과 Te(저온)의 상태로 낮춘다. 이를 2단계 ((2)→(3), (1)→(4))라고 한다. 제 2 반응용기(B)에서는 저온의 열원으로부터 Q₃를 받아들여 수소화합물을 분해하고 이때 분해된 수소는 연결통로관(11)을 차단하고 각각의 반응용기(A),(B) 온도를 각각 Tm(중간온도)과 Te(저온)의 상태로 낮춘다. 이를 3단계((3)→(4))라고 한다. 이후 두 반응용기(A),(B)들의 온도는 각각 Th와 Tm으로 가열한다. 이를 4단계 ((3)→(2), (4)→(1))라고 한다. 이와 같은 사이클을 계속적으로 반복하면 Tm의 온도에서 Q₂와 Q₄의 열이 계속적으로 외부로 방출되어 난방을 하게 된다. 그리고 이와는 반대로 즉 제 2 반응용기(B)에서 제 1 반응용기(A)로 수소를 이동시켜 상기에서와 같은 사이클을 도시된 제 15b 도와 같이 반복시키면 냉방을 할 수 있다.

이상은 상기에서 종래의 기술을 설명한 원리와 동일하다.

그러면, 본 발명에서 추구하고자 하는 효과는 위와 같은 원리를 이용하여 도시된 제 1 도 내지 제 4 도에서와 같이 반응용기(A),(B)를 구성하여 냉ㆍ난방효율이나 냉ㆍ난방능력을 더욱 좋게 한 것이다. 이하에서는 상기에서 설명한 본 발명의 구성에 따라 설명하기로 한다. 압력용기용 튜브(4)는 이의 내부벽을 따라 열교환이 이루어지도록 한 것이고, 튜브(4)를 중공체로 한 대신에 단면적을 적게하고 금속수소화합물을 내장하면 열전달, 수소전달이 쉽게 일어난다. 그러나 튜브(4)내에 필터(9)를 내설하면 더욱 그 효과를 높일 수가 있다. 즉 튜브(4)내에 설치된 필터(9)는 수소의 이동을 용이하게 하며 또한 수소이동 통로로서의 기능을 하게 된다. 따라서 수소가 반응용기(A),(B)의 내부까지 쉽게 전달되도록 한 것이다. 본 발명의 필터(9)는 상기에서 잠시 언급한 바와 같이 동계 합금이나 알루미늄계 합금 또는 스테인레이스용 망을 말아서 형성하거나 또는 구리합금계, 알루미늄합금계, 스테인레스를 소결하여 스틱형으로 형성시켜 사용할 수도 있다. 도시된 제 5a 도에서는 망으로하여 마는 상태를 사시도로 도시하였고 제 5b 도에서는 스틱형으로 형성시킨 상태를 사시도로 도시하였다.

그리고 상기의 튜브(4) 또한 구리나 알루미늄으로 하여 열전달을 높이도록 하였다.

다음, 압력용기용 튜브(4) 외측에 삽입설치된 열방출판(5)은 압력용기용 튜브(4)의 변형을 방지함과 아울러 튜브(4)내에 들어있는 금속수소화합물의 생성이나 분해시 발생하는 반응열을 빠르게 외부로 전달시켜 준다. 또한 열방출판(5)에는 다수의 돌출부(7)를 형성하여 반응열의 방출을 더욱 향상시켰다. 도시된 제 6 도에서는 열방출판(5)에 대한 상세한 구조를 확대하여 사시도로 도시하였다.

다음 제 2 캡(1')은 제 1 캡(1)과 함께 금속수소화합물이 내장될 수 있도록 케이스(2)(2')를 형성케 하고 또한 설치공(3)을 형성하여 이에 삽설된 상기의 압력용기용 튜브(4)를 양측에서 지지하여 변형을 방지하여 준다. 그리고, 제 1 및 제 2 캡(1)(1')은 동계합금이나 알루미늄계 합금 또는 스테인레스를 사용한다.

케이스(2),(2')내에 설치한 스크린필터(8)는 케이스(2),(2')내에 내장된 금속수소화합물이 케이스(2),(2')외부로 누출됨을 방지한다. 그리고 스크린필터(8) 또한 동계합금 또는 알루미늄계 합금을 사용한다.

다음, 본 발명의 압력 용기용 튜브(4)는 여러 형태로 형성할 수가 있다. 예컨대 튜브(4)의 내경을 타원형으로 하거나 진원형 또는 사각형등으로 할 수 있다. 이중 일예로서 진원형으로 한 튜브(4)를 제 7 도에서 사시도로 도시하였다.

한편, 상기의 튜브(4)에서 단위부피당 많은 양의 수소를 저장하기 위하여 단면적이 큰 압력용기용 튜브(4)를 사용할 경우에는 튜브(4) 내부에서 수소전달 뿐만 아니라 열전달도 늦어진다. 따라서, 튜브(4)에 대한 또다른 실시예의 구성으로써 이 경우에는 수소전달 매체로서 2개 혹은 3개 이상의 필터(9)를 설치하고 열전달 매체로서 금속수소화합물 사이에 구리나 알루미늄재로 된 열전달용 망(12)을 일정한 간격으로 층층히 삽설하였다. 이를 도시된 제 8 도와 제 9a,b 도에서 도시하였다. 즉, 도시된 제 8 도와 제 9 도는 압력용기용 튜브(4)에 대한 다른 실시예의 구성을 나타낸 것으로 제 8 도는 정면도이고, 제 9a 도는 종단면도이며 제 9b 도는 일부 분해된 상태의 사시도이다.

상기와 같이 또다른 실시예로서 구성된 압력용기용 튜브(4)의 내부에 구리나 알루미늄으로 된 열전달용망(12)을 삽입설치함에 따라 반응용기(A),(B) 내부, 즉 튜브(4)를 거쳐 외측의 케이스(2)내까지 원활하게 열전달을 시켜주게 된다.

다음, 본 발명의 제 10 도에 의하여 설명한다. 도시된 제 10 도는 본 발명의 열방출판에 대한 다른 실시예로써 사시도로 하여 도시한 것으로 이는 지그자그형으로 벤딩형성하고 표면에는 단위면적당 열방출면적을 넓히기 위하여 열전달용 방사핀(7')을 다수 형성하였다.

상기, 제 10 도와 같은 지그자그형의 열방출판(5')을 이용하여 반응용기를 구성한 상태를 제 11 도와 제 13 도에 도시하였다. 도시된 제 11 도는 본 발명인 반응용기에 대한 다른 실시예의 사시도이고, 제 13 도는 제 11 도의 평면도이다. 도시된 제 11 도와 제 13 도에서는 양측이 케이스(2), (2')간에 연결접속한 튜브(4)를 사이에 지그자그형의 열방출판(5')을 삽입하여 밀착고정하거나 또는 용접을 하여 고정한다. 또한 양측에는 보강판(13), (13')을 고정설치하여 반응용기로서 균형들을 유지토록 하였다. 따라서, 가열된 튜브(4)의 열을 열방출판(5')에 의하여 외부로 방출하게 된다. 또한 열전달용 방사판(7')은 튜브(4)의 열방출을 더욱 좋게 한다. 이하의 효과는 도시된 제 1 도 내지 제 4 도에 의하여 설명한 상기의 내용과 동일하여 설명을 생략한다.

다음, 도시된 제 12 도에 의하여 설명한다. 도시된 제 12 도는 본 발명인 제 1 도 내지 제 4 도의 반응용기에 대한 또다른 실시예를 도시한 평면도이다. 도시된 제 12 도에서는 반응용기의 양측부에 지지판(13), (13')을 고정설치하여 열방출판(5)의 변형을 방지토록 한 것이다. 즉, 튜브(4)에 열방출판(5)을 얇게하여 보다 많이 삽입설치하면 튜브(4)에 가열된 열을 외부로 보다 나은 열방출 효과를 얻게 되는데, 이때 열방출판(5)이 얇아지게 되면 쉽게 변형이 이루어진다. 이를 방지하기 위하여 상기의 지지판(13), (13')을 설치고정한 이유가 있는 것이다.

이상과 같은 본 발명의 반응용기(A),(B)에 대한 냉ㆍ난방능력을 조사하여 구한 실험조건은 다음과 같다.

1. 금속수소화합물 : 반응용기당 1000g내장(총 2000g)

합금종류,

제 1 반응용기 : Zr_aTi_bV₁-a-b(Cr_xFe_yMn₁-x-y)₂

제 2 반응용기 : Zr_a'Ti_b'V₁-a'-b'(Cr_x'Fe_y'Mn₁-x'-y')₂(단 0≤a,b,a',b',x,y,x',y'≤1)

2. 싸이클 시간 : 8분

3. 온도변화 : 고온부온도 : 160℃

중간 온도 : 35℃

저온부온도 : 15℃

공기 유속 : 18N㎥/hr

4. 반응용기의 재질 : 압력용기용 튜브 : 구리 또는 알루미늄

열 방출판 : 구리 또는 알루미늄

필터 : 동계합금 또는 알루미늄계 합금(325 메시로 된 망)

Claims (4)

1. 제 1 및 제 2 캡(1), (1')을 밀봉하여 양측부에 케이스(2), (2')을 형성하고 케이스(2), (2')간에는 중공체로 된 다수의 압력용기용 튜브(4)를 삽설하여 연결하며 튜브(4)의 외측에는 다수의 열방출판(5)을 삽설하고 제 1 및 제 2 캡(1), (1')간에는 스크린필터(8)를 내설하며, 상기 케이스(2), (2')와 튜브(4)에는 금속수소 화합물을 내장하여 제 1 및 제 2 반응용기(A), (B)로써 구성하고 이틀간에는 연결통로관(11)을 연결 설치하여 구성됨을 특징으로 한 화학반응을 이용하는 히트펌프용 반응용기.
2. 제 1 항에 있어서, 중공체로된 다수의 압력용기용 튜브(4)에는 적어도 하나이상의 필터(9)를 내장설치하여서 됨을 특징으로 한 화학반응을 이용하는 히트펌프용 반응용기.
3. 제 1 항에 있어서, 압력용기용 튜브(4)에는 필터(9)와 다수의 열전달용망(12)을 내장 설치하여서 됨을 특징으로 한 화학반응을 이용하는 히트펌프용 반응용기.
4. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 반응용기(A),(B)의 양측부에 보장판(13), (13)을 고정설치하여서 됨을 특징으로 한 처리반응을 이용하는 시프 펌프용 반응용기.