KR960005778B1 - 열전도율이 낮은 물체내로 드나드는 열의 흐름을 발생시키기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

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Description

열전도율이 낮은 물체내로 드나드는 열의 흐름을 발생시키기 위한 장치

본 발명은 다음의 도면에 나타난 실시예 및 일반개념에 의하여 상세히 설명한다.

제1도는 열분류기 구조의 개략도로서 다음과 같이 변형된다.

제1a도는 열운반 유체를 이용한 열교환기에 의하여 열전달.

제1b도는 전기적인 열운반.

제2도는 괴상 흡수체의 수직 단면도로서, 제2a도는 암반에 직접 설치된 일간 혹은 연간 저장시스템을 나타내고, 제2b도는 지표의 상부 혹은 연간 저장시스템으로서 사용되는 침전물판의 상부에 있는 인위적인 일간 저장기를 나타낸다.

제3도는 파이프 배치 평면도.

제3a도는 동일 방향으로 유동되는 병렬배치 파이프.

제3b도는 머리핀 형태의 파이프.

제3c도는 구불구불한 형태의 파이프.

제4a도 내지 제4d도는 열제거 및 열교환 층의 변형을 나타낸 수직 단면도.

제5도는 흡수체 순환 시스템에서 외부 공기온도를 도시한 그래프의 위상 추이도.

제6도는 괴상 흡수체/저장기 내부의 온도 그래프의 위상 추이도.

제7도는 열제거 시스템에서의 유동상태를 도시한 개략도.

제8도는 대기 에너지원의 연간 주기를 도시한 그래프.

제9도는 온도곡선을 각 계절별로 지표하의 깊이의 함수로 도시한 그래프.

본 발명은 물체에 하나 이상의 평행평면으로 열을 공급하거나 배출하고 물체에서는 열운반 매체에 의하여 전도하기 위하여, 적어도 하나 이상의 열운반층을 이용하여 열전도율이 20W/mK 이하인 유한한 또는 거의 무한한 크기의 물체내에서 공급 또는 방출되는 열흐름을 발생시키는 장치에 관한 것이다.

열의 공급 또는 배출은 전도율이 낮은 물체내에서 발생되는 열의 흐름과는 달리 이러한 흐름에 대하여 다소 경사지게 실시되며, 따라서 본 발명에 의한 열운반층을 이하에서는 "열교환기"라고도 한다.

열공급 또는 열배출의 문제는 대기열원(태양 및 지구방사열, 잠열, 공기열, 천수열, 폐수열등) 및 지상열원(지열, 지면열, 샘열등)으로부터 열을 얻을 때 일간 또는 연간, 다시 재생되는 에너지를 얻기 위하여 시기적절하게 공급하는 것이다.

어느 범위에서 지적소유권법에 의해 보호되어왔던 그러한 에너지 개발에 관한 개념 및 방법의 발전이 최근에 매우 증대되었다.

완전히 지상에서 이루어지는 지하열 추출법은 근사-점형 열제거법이 천공된 구멍의 최저점에서 사용될 경우에만 기술적으로 실현이 가능하다. 만일 지열 또는 대기열을 포획하고자 할 경우에는, 후자가 지표면에 매우 근접하게 포획될 수 있다. 그러한 방법은 반드시 토지의 식물 성장을 방해한다.

주차 구역의 양면적인 이용 혹은 어떤 종류의 스포츠 시설물을 포함하는 여러가지 배열은 지상 에너지 혹은 대기 에너지를 개발하는데 이용되도록 의도되어 왔으며, 동시에 주간에 열을 저장하고 야간에 그 열을 방출시키기 위하여 저장 시스템이 광범위하게 이용된다.

상기 저장 시스템에 부하를 공급하거나 그 표면을 비동결 상태에서 유지하기 위하여, 열이 특정한 이용의 목적으로 설계되고, 다수의 특허에 의하여 보호되는 시스템에 일반적으로 공급된다.

또한 알려진 것은 태양열 방사에 노출된 역청물질층, 특히 포장도로의 최상층의 가열 및 냉각에 적합한 배열이고, 가열 및/또는 냉각될 물질층의 길이에 따라서 배치되는 다수의 열교환 장치의 특징을 이룬다. 그러한 장치들은 두 종류의 액류 시스템 즉 하나는 열을 가열 및/또는 냉각될 물질층으로 전달하는데 사용되고 다른 하나는 열을 열저장기로 옮기는데 사용되는 두 시스템을 장착하고 있다.

이 경우 열저장기는 도로의 하부 구조를 형성하고, 또한 도로건축중 제거된 토양의전부 혹은 일부로 이루어질 수도 있다.

열전달 매체는 열을 물질층에서 열저장기로 또한 반대로 열저장기에서 물질층으로 옮기기 위하여 액튜 시스템을 통하여 순환하며, 이는 물질층이 예를들어 여름에 냉각되야 하는지 혹은 겨울에 가열되야 하는지에 따라 의존한다. 이들 두 액튜 시스템은 수직면에 배치된다(DE-OS 34 07 927).

기성 콘크리트 성분용의 신종 가열 시스템으로서 괴상 흡수체의 이용을 포함하는 다른 개념은 SJA Bulletin "Industrial Construction", 4/82에서 철저하게 취급되어왔다. 이 배열에서, 에너지는 실제로 넓은 표면의 열교환기인 흡수체에 의해서 열의 형태로 그 주변으로부터 추출된다.

그러한 열에너지는 열 펌프에 의하여 저온 레벨에서 고온 레벨로 되며, 따라서 결과적인 열에너지는 가열의 목적으로 이용될 수 있다.

이 논문에서는, 햇빛에 노출된 30㎝ 철근콘크리트 벽의 표면 온도 및 여러층의 온도가 시간에 대하여 플로트(plot)되고 또한 층액 흡수기 시스템에 있어서의 온도곡선의 위상 변화가 기술된다. 외부 공기 온도에 비하여 열 펌프의 출력은 시스템 변수로서 소정의 가열온도 임이 증명된다.

광역 배관 시스템에 부가하여, CH-PS-661-340은 다른 금속 접촉판이 열축적층의 상부에 배치될 것을 제안하고 있으며, 그러한 접촉층들은 현재 표면 가열 기술에 이용되고 있다.

그러한 모든 시스템에 공통되는 것은 열교환 파이프 즉 그 표면이 어떤 상황하에서는 시스템 성능을 개선하는데 사용되는 종래의 리브(ribs) 혹은 플레이트(plates)를 채용함으로써 확장되는 열교환 파이프를 통하여 실현되는 열제거 절차이다. 반선형 관형(管形)시스템 즉 예를들면 열집적체 혹은 축적시스템 내에서 선형 운반용량이 w/m²K 표시되는 거의 원통형의 등온선을 갖는 제한된 표면 피복 결과만을 제공하는 시스템은 거의 병렬 등온선을 갖는 실제적인 평면제거 패턴과 부합하지는 않는다.

더우기 CH-PS-601-340에서 제시된 플레이트들은 단락회로 소자를 포함하는데 그 이유는 그 플레이트들이 열류의 방향을 튜브의 후단으로부터 튜브의 입구로 전환시키기 때문이다.

따라서 본 발명의 목적은 열집적체 내에서 유입하거나 유출하는 열류를 생성할 수 있는 장치를 만들어 내고자 하는 것이며, 그에 따라 열집적체 내에서 이루어진 등온성들은 거의 서로 평행하게 되고, 열전도는 열집적체 내에서 형성된 열류에 대하여 소정의 각도를 유지하면서 진행된다.

본 발명에 따르면, 이 목적은 하나 혹은 그 이상의 청구범위, 특히 청구범위 제1항에 의한 장치에 의하여 만족된다.

집적체 내에 원래의 방향이 아닌 어떤 방향으로 열을 전달하기 위한 선행조건은 열전달 능력이 열집적체의 전달 능력의 20배 내지 1000배 정도인 열분류기로써 동작하는 층의 존재이며, 상기 층의 최소 단면과 집적체의 열전달 단면간의 관계가 집적체의 특정한 열전달 능력(λw/mK)의 고도전성 열단락층에 대한 관계와 비례하는 열류를 허용하여야 한다는 것이다.

상기 장치로의 혹은 그 장치로부터의 열전달 혹은 제거하는 유체 열운반 매체를 통하여 일어나는 2차적으로 변환점 혹은 소비점으로 향하게 되거나, 또는 열이 가해지는 경우에는 주울(Jlules) 효과에 의해 조절되고 열이 제거되는 경우에는 펠티에(Pelletier) 효과에 의해 조절되는 전기운반 매체에 의하여 일어난다.

낮은 전도율을 갖는 집적체에서 열을 운반하는 고용량 열운반층 동, 알루미늄, 은 또는 금 및 그 합금으로 구성될 수 있고 또한 박판 혹은 관과 같은 반제품 설비를 통하여, 전술한 금속을 복합 구조로 주조함으로써, 혹은 고전도성 층이 소결과정을 거쳐 생산되어 이루어진 소결체를 제조함으로써 구성될 수 있다.

열운반부 내에서 20 내지 200w/㎡ 사이의 열운반 용량을 갖는 유한 혹은 반유한 차원의 열집적체는 대기열 및 지열을 포획 및 저장하고 그 주변부의 온도를 조절하기 위하여, 화학 및 생화학 처리기술에 이용되는 비금속 후벽 용기에서의 열처리 제어에, 기계 부품의 내부를 정확히 가열 혹은 냉각시키는 한편 일부의 온도가 예를들어 전자 장비에서 냉각 혹은 가열의 유지온도를 초과하는 것을 배제하는데 사용될 수 있다.

열전도층을 통하는 열류의 2차원적 효과는 K로 주어지는 최대의 특정한 열출력의 전달을 허용한다. 이에 대하여, 본 발명은 열운반 유체로 충전된 열교환기의 직접적인 설치와는 본질적으로 다르고, 그에 따라 이상적인 조건하에서의 열류는 열교환관을 통하여 다소 선형적으로 발생되며 구형 용기의 경우에는 종종 근사-점형 방식으로만 발생된다.

본 발명은 열의 공급 혹은 제거 도중에 발생하는 열류의 최적 설계를 통하여 어떤 유한 혹은 반유한 길이의 열집적체를 통과하며 W/㎡으로 표시되는 최대 열류를 보장한다.

이 시스템 개발의 전 범위에 걸쳐서 화학/생물학 처리기술 및 기계 구축에 사용된 대형 시스템의 경우와 같이 대기 에너지 및 지구로 향하는 에너지를 포획하는 응용이 파생된다. 그러한 응용에 있어서는, 운반 유체를 이용하는, 특수한 환경에 있어서는 증기열이 직접 이용될 수도 있는, 열운반이 중요성을 이루어왔다.

정밀 제품 혹은 전자기술을 포함하는 산업상의 응용의 경우에 있어서, 열은 주울 효과에 의하여 전기적으로 운반될 수도 있고 펠티에 소자에 의하여 제거될 수도 있다.

만일 열운반 매체의 전향 유동 및 역류를 촉진하기 위하여 설치되고 또한 분류기로써 작용하는 열전도면에 접속된 열교환관 레지스터가 병렬 방식으로 배열된 경우, 열운반 매체는 열집적체를 통한 반환점으로서의 전향이동 중에 전체 폭에 걸쳐 그에 대응하는 방향으로 전향 유동 및 역류 사이의 균일한 온도 변화도를 야기시키는 방법으로 냉각 혹은 가열을 허용하게 된다. 고전도성 공급층 혹은 제거층은 영향이 미치게 될 전 범위를 커버하는 상황하에 있어야 한다.

반대로, 만일 열교환관이 열분류기의 영역에 머리핀 모양으로 배열되어 전향유동 및 역류가 동일 측면에서 발생되거나, 혹은 구불구불한 모양으로 배열되어 전향유동 및 역류가 한 이송점으로부터 부채꼴로 펼쳐지는 경우에, 열운반 매체가 그 경로의 온도를 변화시키는 것과 같이 형성된 가열 영역은 인접한 루프의 그것과는 구별되고, 열분류기로써 작용하는 고도전성 층이 인접한 가열 영역으로부터 그것을 분리시키는 경계에서 적당한 수단에 의해 불연속으로 되게 한다. 그렇지 않으면 시스템이 열제거 능력을 현저하게 축소시킬 단락회로 상태를 야기하는 열 브리지가 형성될 수 있다.

만일 열집적체가 저장/충전 혹은 방전을 허용하기 위하여 또는 선택적으로 표면열의 공급 및 그 제거(대기집열기)를 허용하기 위하여 두가지 모드로 동작될 경우에는 고 열전도 열분류기층의 기하학적 배치 및 집열기 또는 저장기의 임의의 동작조건에 대하여 중간물이 반드시 발견되어야 한다. 부분적인 상황에 의존한다면, 수개의 열분류기가 여러가지 응용에 제공되는 위치에 설치될 수 있다.

열분류기는 열집적체 내에서 발생되는 열류를 열교환기에 전달시킨다. 집적체로 유기된 전체 열량의 제거를 허용하기 위하여, 만일 고온 편향 및 그에 수반하는 효율의 저하를 피하고자 할 경우, 열전도 용량(O_ww·λ_ww)은 최소한 집적체내에 포획될 열류(O_thMbl·λ_thMbl)와 일치해야 한다. 따라서 한정되는 층의 단면은 다음에 단순히 열교환기와 접속되어야 하고, 원점으로 귀환하기 위하여 그 열교환기로부터 인접한 열교환관을 분리하는 중간 공간의 중심을 향하여 측방향으로 확장될 수 있다. 그러나 그러한 열분류기의 실시는 기술적인 난점을 가지고 있어 일반적으로 매우 고가이다. 그러한 열분류기의 기본적인 실제 응용은 저장기/집열기에 의하여 대기/지상 에너지의 포획에 이용될 수 있다. 집열기에 의하여 포획될 수 있는 최적량은 그 지방의 기후 조건에 의해 결정될 것이다.

그러한 량은 30 내지 150W/㎡간의 범위에 달하고 기상 조건에 따라 매우 넓은 범위 사이에서 변동한다. 일반적으로 두가지 동작에 있어서, 중요한 요인은 지하 저장 시스템에서 방출하게 될 에너지의 용량이다. 연속 동작시, 그러한 용량은 고밀도 암반의 최대 전도율인 λ-4W/mK 및 마른 지표의 전도율을 나타내는 λ-0.3W/mK 사이에 있으며, 변동은 매우 경미한 정도가 되어야 한다.

만일 과잉 에너지가 지하 저장기로부터 소환되는 경우, 예를들어 열운반 매체 및 지하 사이에 과도한 △K가 존재하게 되고, 표면으로부터의 열제거가 증가되는 동안 얼음이 형성될 위험이 존재하게 되며, 이것은 단위면적당 열손실을 줄임으로써 혹은 피복(깊이 배치된 열분류기, 계절적인 손실을 조정하기 위한 가능한 한 대량의 열분류기의 존재)을 증가시킴으로서 대응될 수 있다.

동절기에 주차장 등과 같이 동결을 수반하는 사용되지 않은 영역의 표면으로부터의 연손실은 어떤 경우에는 절연 피복을 이용함으로써 피할 수 있고, 그러한 표면들은 재생의 목적으로 동결될 수도 있다.

제시된 장치의 다른 중요한 용도의 에너지를 열의 형태로 저장 및 회수하는데 있고, 여기서 열의 초과가 발생될 경우 열집적체는 매우 효율적으로 가열될 수 있고, 필요한 경우 온기는 회수될 수 있다. 최소의 온도차가 저장 및 회수의 목적으로 이용될 수 있고 부가적으로 잠열을 이용하는 특수 저장체를 포함시킴으로써 증가될 수 있는 저장량이 고려되는데, 그것은 그러한 양이 매우 효율적으로 이용될 수 있기 때문이다.

전동차에 배열된 것들과 같은 이동성 열집적체의 경우에는 부분적인 열의 이동이 예상될 수 있다.

일반적으로, 제시된 장치 예를들어 열분류기는 저전도성 매체에서 열의 공급 및 제거를 허용하고 종래의 방법 및 시스템에 있어서 적당한 비용만으로 가능했고 또는 극히 양호한 상태로 제공되었다.

도면에 개략적으로 도시된 것은, 열제거 혹은 열공급 층(20)을 통하는 열을 필수적으로 수용하는 본 발명에 따른 장치이고, 상기 장치는 열집적체(5)내에 배치되어 열집적체(5)와 열적으로 접속된다.

상기 층(20)은 예를들어 관도자(6a)와 열적으로 접속되고, 열운반 매체는 열펌프(3a)(도시되지 않음)간 및 열원(4a) 혹은 열소모체(4a)간을 유동한다.

유사하게, 제1b도는 엣지(6b)의 단부에서 예를들어 전원(4b)을 통하여 접속된 전압선이 되도록 부착된 층(20)을 나타내다.

상기 층(20)의 엣지 스트립을 따라서 전기적으로 주행시킴으로서 형성된 열은 이 층을 통하여 집적체로 전도된다. 이와 유사하게, 열은 펠티에 소자(도시되지 않음)를 이용함으로써 전류에 의하여 집적체로부터 유출된다.

제2도는 괴상 흡수체/저장기의 기본구조를 a) 암반 저장 시스템(15)(λ=1.75-4.65w/mK)으로 작용하는 암반의 상부, 혹은 b) 지표 또는 침전물(16)((λ<0.8w/mK)의 상부에 있는 것을 선택적으로 수직 단면도로 묘사하고 있다.

암반 자체는 적절한 배관면(20)을 형성하기 위하여 조밀한 시멘트(λ>1.16-1.14w/mK)의 평탄한 층(17)으로 피복된다.

지표 혹은 침전물은 푸석푸석한 바위를 분쇄시키고 얇은 콘크리트(18)(λ-0.8w/mK)로 피복됨으로써 강화되며 선택적인 제2파이프-베어링 면(20)에 전개된다. 열전도율 λ=1.16-1.4Wm/K를 갖는 일간 저장기(19)는 일간 저장 요구량에 부합하는 그러나 최소한 15㎝ 이상의 두께를 갖는 고압축 콘크리트의 괴상 철근콘크리트 판으로서 구현된다. 괴상 흡수체/저장기에 비하여 적어도 100매의 열전도율을 갖는 열제거 및 열교환 층은 열운반 유체 도관(6)과 제거 평면을 가능한 한 완전히 피복시키고 열전도를 촉진시키는 것과 같은 방식으로 상기 도관에 접속되는 열전도층(22)에 의하여 형성되며, 이 둘은 λ-400w/mK의 열전도율을 갖는 등으로 구성된다.

따라서, 열분류기로서 고려될 수 있는 구조가 형성된다. 외부로부터의 온기는 저장기(19)의 물질을 통하여 전도율이 λ-200-400w/mK인 열전도 물질층으로 절달된다. 예를들어 접속된 판(22) 형태의 층은 예를들어 0.1-1㎜로서 매우 얇아서 한번에 도달하는 열의 저장기의 전도율(λ) 및 금속, 특히 구리(Cu)의 전도율(λ)을 어느 방향에서나 고려하기 위하여 설계된 작은 단면부로의 운반을 허용하게 된다. 그러한 열은 강제대류에 의하여 열흡수액으로 운반된다. 따라서 열을 분류하는 간단한 수단이 어느 방향에서나 구비된다.

열전도층은 흡수공의 형성을 배제하고 또한 열을 전도시키기 위하여 상부의 콘크리트 층은 물론 하부층에도 결합되어야 한다. 열의 제거 및 운반 매체로부터의 열의 운반은 대기열 또는 지열을 전도시키는데 적합한 제2도에 따른 단일 평면에서 발생되거나 혹은 흡수되거나 저장된 열을 포획하는데 각각 사용되는 제2b도에 따른 두 단계에서 일어날 수 있다.

도전율이 λ-1.2w/mK인 표면의 흡수하는 최상층(21)은 토대로 사용하는 하부의 층과 함께 예를들어 노면등의 기능과 같이 본래의 주어진 기능과 관련하여 구축되어야 한다. 상기 층(21)의 두께는 표면온도차 즉 표면에 발생되는 온도차가 관 또는 열분류기에서 검출되도록 (예를들어<2K)이 되어있어야 한다. 흡수영역 자체는 만일 타르, 페인트, 흑색 첨가제 혹은 가능하면 아스팔트층(24) 또는 흑색 천연석이 사용될 경우 태양열 방사를 더욱 잘 흡수하기 위하여 구축될 수 있다.

괴상 저장체는 열이 흡수되는 최상면으로 반드시 직각으로만 흐르도록 허용하기 위하여 넓게 퍼진 점토 응결체 혹은 다른 내후성 재료로 구성되어 있고 적당한 깊이로 가라앉은 열차단기(23)(λ<0.6w/mK)에 의하여 외부로의 열손실에 대하여 또는 인접한 건물로부터 유출되는 열에 대하여 격리되어야 한다.

낮은 외부온도 때문에, 만일 열이 흡수면을 통하여 저장기로부터 유출되는 경우 바람직하지 못한 열류는 온도 혹은 방사감응 장치에 의하여 조절될 수 있고 감아질 수도 있는 절연 커버(25)(λ<0.1w/mK)를 사용함으로써 축소될 수 있다.

제3a도, 제3b도 및 제3c도는 괴상 흡수체/저장기(5)를 형성하는 열교환기 내에 있는 반 2차원 제거층의 세가지 다른 실시예의 윤곽을 나타내고 있다. 관의 직경은 시간당 요구되는 유동에 의존하여, 여기서 단면부는 펌프에너지 손실을 피하기 위하여 또한 유동율이>lm/s가 되도록 적당한 크기로 되어야 한다. 응축된 잠열 및 대류열과 최상층(21)에 모여지는 천수의 최적이용을 보장하기 위하여 또는 그 선택적인 피복(24)을 위하여, 표면은 가능한 한 발수성이 되어야 하며 충분히 경사지게 되어야 한다.

제3a도는 병렬, 단방향성 유동을 갖는 즉 한쪽에서 급수(26)하고 다른 쪽에서 리턴/배수하는 열교환기를 나타낸다.

레지스터를 통한 유동도 Tichelmann에 따른 전향 혹은 후향 유동을 유동함으로써 또는 압력을 고르게 하기 위하여 사용되는 양방향으로 접속된 큰 단면부의 블록을 사용함으로써 보장된다. 제거 평면에서 온도는 출구측으로 점진적으로 상승한다. 그러므로 열제거 시트(22)는 전 영역을 완전히 커버할 수 있다.

균등한 길이의 유동 경로를 특징으로 하며 따라서 부가적인 비용을 소모하지 않고서도 균일량의 액류를 보장할 수 있는 제3b도에 도시된 머리핀 모양의 레지스터에 있어서, 다른 온도의 범위는 전향 유동시에 또한 후향 구간에서 발생된다. 결국 열전도층(22)은 관 사이의 중간위치에서 5-10㎜의 간격으로 분리되어야 한다(28).

판 영역의 폭은 머리핀 쌍의 배열을 변경시킴으로써 변화될 수 있다.

제3c도에 따른 구불구불한 배열은 복잡한 영역의 피복을 촉진한다. 그러나 다른 온도의 범위는 복잡성을 증가시키므로, 각 가열범위의 상호 영향을 방해할 목적으로 판들을 분리시키는 우회할 수 없는 영역(28)의 배열은 예측하기 어렵게 한다.

공간적으로 실제적으로 분리된 암반 저장기(15)로부터 열을 반 3차원적으로 제거하는 경우에 있어서, 그러한 온도의 범위는 대기로부터의 열의 유출에 비하여 비교적 덜 중요하다.

제4a도-제4d도는 열교환기의 단부 실시예를 나타낸다. 최적 비용 및 최적 이용가능성의 시스템들은 기본적으로 상용으로 활용할 수 있는 동 파이프 및 시트 예를들면 제4a도 및 제4b도에 도시된 것들을 사용하는 것이다.

관 사이의 간격 또는 열교환관(6a)으로의 유동을 유도하는 열흡수판(22)의 유효폭은 유효폭

(커버판(21)의 전도율(λ)=1.16/흡수판(22)의 전도율(λ)=400)이고, 여기서 선단 관의 분리 간격 1000㎜ 또는 200㎜ 또는 관 축의 반장 500㎜ 또는 100㎜ -유효 관 영역 40㎜ 또는 30㎜ = 유효 판 영역 460㎜ 도느 70㎜ 판의 두께는 역>1.2㎜ 또는 0.2㎜ 파이프(6)로 구현된 유체 도관으로의 열전도-접속은 0.15 내지 0.4㎜ 두께의 연속적인 열전도층(22)으로서 구현된 종방향으로 혹은 대각선 방향으로 주름잡힌 판금으로 적절히 피복함으로써 보장될 수 있다. 평판 시트는 또한 용접 혹은 납땜에 의하여 기성 부품으로서 파이프(6a)에 부착될 수 있다. 파이프를 분리시키는 공간 및 판의 두께는 구성부재 및 제조비에 따라 여러가지로 응용할 수 있도록 능률적으로 이용되어야 하며, 여기서 작은 파이프분리 공간은 특히 병렬 단방향성 파이프 레지스터에 적합하다.

제4c도는 지주 및 스페이서에 의하여 내부에서 굳어져 이상 유동 패턴을 제공하는 장방형 박스(29)를 나타내며, 그러한 장방형 박스의 경도는 콘크리트가 세트될 때 우선적으로 보장된다.

제4d도에 있어서, 이중 층, 용접 시트, 혹은 소위 서로 용접되지 않는 압착결합 부재는 유동을 통하여 임의 차원의 단면부(30)를 형성하기 위해 확장된다. 그러한 열교환기에 있어서 도전관(6a)은 시트(22)와 결합되고, 제3a도에 다른 단방향성 병렬 레지스터를 유체를 통하여 전달하기 위하여 우선적으로 적응된다.

흡수면으로의 열유동은 태양열 방사에 의존하며, 일반적인 열과 함께 지구 방사열 및 잠열에 대하여는 지표면의 온도에 의존한다. 그러한 열형성량은 그 지방의 기후조건 및 집적장치의 초냉각 용량에 의해 크게 결정된다.

년중 발생되는 태양 및 지구 방사의 일간 최고값 및 주간 중간값은 예를들어 SMA의 핸드북 "Climatic Date for Energy Engineering July 1981 to June 1985"에서 나타난 바와 같이 대다수의 지역에서 실제적인 값을 갖고 있는 것으로 알려져 있지만, 이것은 시스템의 실제적인 에너지 포획 용량의 근사값만을 제공하는 것이다.

따라서, 기후적으로 이상적인 지역에서, (예를들어 옥수수에서 옥수수속의 상태가 정상적으로 성숙되는 경우) 100w/m^-2의 주어진 데이타를 근거로한 에너지 획득이 적당할 것이다.

대류에 의하여 운반되는 천수의 잠열 및 이슬의 상태로 되어야 하고 시간의 경과에 따라 빈번하게 변동하며 그 양이 넓은 범위에서 변하는 열의 공급은 총 대기 에너지 공급량의 추측을 불가능하게 한다.

외부 열공급의 일간 주기는 제5도에 따른 흡수기 시스템의 고유관성 때문에 또한 더 광범위한 측정의 경우에는 제6도에 따른 괴상 저장기가 적재되는 속도 때문에 시간축 방향으로 시스트된다.

최소의 외부 공기에 대한 최대 추출율의 가장 적합한 10-12시간 시프트는 암반 저장기(15)에 주어진 제한된 열 회수의 경우에 가능하고 충분한 저장 용량을 갖는 인조 일간 저장기(19)를 사용함으로써 보장된다.

상기 시스템의 두가지 기능은 제7a도-제7e도에 도시된 다섯가지의 동작 모드에 나타나 있다. 제7a도에서는 아무 열도 회수되지 않는다. 시스템(1)은 동작하지 않는다. 총 흡수된 대기 에너지는 제2a도의 암반 저장기(15)로 혹은 일간 저장기(19)로 유동되며 좁은 의미로는 지연 혹은 침전물(18)(제2b)로 유동된다. 만일 추출 시스템이 동작되면, (제7b도에 도시된 바와 같이) 흡수된 에너지의 일부만이 추출되거나 또는 (제7c도에 도시된 바와 같이 에너지의 전체 양이 회수될 수 있으며, 여기서 상기 b의 경우에는 저장기로 과잉 유동된다.

불충분한 흡수 및 저장기의 부분적인 공간으로 완전히 추출하는 것은 제7d도에 나타나 있다. 만일, 제8도에 도시된 바와 같이 계절 변화의 결과로써 대기 에너지가 사용하지 못한 정도로 적을 경우, 제7e도에 따른 지열만이 이용될 수 있다. 흡수면을 통한 열손실은 절연층(25)을 통하여 최소화되어야 한다. 더욱이 만일 회수층이 제2b도에 따른 일간 저장기 밑에 있다면, 열은 회수될 수 있다.

암반 저장기(15) 혹은 침전물(16)로부터 단위 면적당 회수될 수 있는 지열의 항에 대한 전제조건은 동종 및 동방체의 저장체의 양이다.

그러한 조건은 소정의 상황하에서만 존재하는데, 대체적으로 암반은 외형적으로는 이방성이고, 내수성을 함유할 수도 있고, 불균일한 깊이를 가지고 있고, 토양과 침전물을 함유할 수도 있으며, 토양이 열물리학적 특성을 알아내기 위하여 고가로 측정되지 않는 한 거의 평가를 허용하지 않는다. 대기 에너지를 추출하는데 사용되는 열교환기 만이 가능한 한 최고의 범위로 이용될 수 있다. 이상적인 비율로 선택된 100Wm^-2의 추출율은 큰 열전도율과 높은 열 함유도를 갖는 굳은 암반의 경우에 적당할 것이다.

괴상 흡수기/열교환기(5)는 유동수 특히 뜨거운 폐수로부터 열을 추출하기 위하여 도관 토대 혹은 부하 지지면으로서 구현될 수 있다. 고부하 지지부재 예를들어 철근 콘크리트 부재의 사전 제작은 주위의 콘크리트를 설치할 때에는 변형도가 증가하는 불완전 변형성 도관 시스템(6a)을 장착하는 특수한 열교환-추출층의 설치를 허용한다. 그러한 기성 부재에 있어서, 열교환기는 전향 및 후향 유동(접속 분재) 박스들과 함께 특별히 양호하게 보호되며 콘크리트와의 열전도 접속이 확고해진다.

만일 집약적인 식물 성장이 없는 충분한 개방 영역이 이용가능할 경우에는, 저전도율(λ=0.3-0.7)의 토양에서 제한된 출력(30-80W/m²)을 갖는 추출층의 설치가 경제적일 수 있다.

추출층 자체는 20-50㎝의 깊이에 놓여지고 파이프 레지스터로 깍아 다듬을 수 있도록 하기 위해 종방향의 중심에서 수축되는 직립 구조물(2xlm, 두께 0.55㎜)에 적합한 표준 동판으로 피복된다. 그러한 박판들은 열분류기로서 사용된다. 상기 추출층은 다음에 충전에 및 상부의 토양으로 피복되고, 설치된다.

이와 같은, 이유로, 전술한 시스템의 구조를 조정하기 위한 다음의 정량 원리들을 유도해 낼 수 있다.

1. 온도 곡선 및 개방 흡수면으로부터 측정된 거리인 깊이(x)에서 발생하는 온도 변동은 제9도에 따른 포락선에 의해서 주어진다.

2. 이용될 개방 흡수기의 표면에 의하여 흡수된 에너지의 일간 주기성(일간 싸이클)을 위하여 예를들어 제5도 및 제6도에 도시된 것과 같은 유체 전도 시스템은 데시미터 단위로 측정되는 깊이에서 반드시 세트된다.

그러한 시스템을 설치할 때는 흡수기/저장기 재료의 온도 전도 계수는 물론 여기 온도진동의 주파수에 의존하는 소정의 위상 추이(제5도)가 반드시 고려되어야 한다. 만일n이 진동수이고, t는 시간, x는 깊이, 및 a는 온도 전도계수이면 그러한 위상 추이는 다음의 관계식으로 표시될 수 있다.

위상 추이는 깊이(x) 및 진동수(n)가 증가함에 따라서 또한 흡수기 저장 재료의 열전도계수(λ)가 감소함에 따라서 증가한다.

추출된 열에너지는 소정의 선택된 설치깊이(x)에서 개방 흡수면의 크기 및 유체운반 시스템의 크기와, 그 구조 및 구성에 문제점이 있게 된다.

다음에 2차적으로 고려되어야 할 조건은 설치깊이(x)의 선택인데, 이것은 그러한 깊이(x)에서의 온도경계가 알려져 있는 경우이다. 제9도에 도시된 연간 온도곡선과 유사한 일간 온도곡선의 포락선은 설치 영역을 한정하며, 그러한 한계는 예견될 수 있다. 섭시 온도를 지시하는 세로좌표에는 지면으로부터의 거리에 의존하는 온도곡선의 데이타(31.1, 30.4, 31.7 및 31.10)가 주어진다.

3. 개방 흡수면에 의해 흡수된 에너지의 연간 주기의 최적 이용은 제2항에 규정된 것과 같은 설치깊이의 선택에 관계되는 원리와 유사해야 한다.

그러한 소정의 조건에서 저장 용량의 지수가 더 중요하게 될 것임은 분명한 일이다.

그러나 이 경우 설치깊이(x)의 선택은 제2항과는 반대로 설비관련 비용과 관련되어야 하며, 필요한 경우에는 옮겨진 토양의 증가량에 관련되어야 한다.

4. 그러한 고려사항들은 순수하게 기술적인 관점에서 보면 개방된 대기로 부터의 열의 흡수에 관계되는 주파수와 일치시키기 위하여 여러 깊이에서 적어도 수개의 유체운반 시스템을 설치하는 것이 바람직하다는 것을 나타낼 것이다.

하나는 일간 주기이고 다른 하나는 연간 주기인 두 주파수가 존재할 것이다. 그것은 그 주기에 부가하여 장착 어느 목적으로 사용되든 간에 계속 나타날 것이다. 전체 문제에 실제로 영향을 미치고 해결책의 선택에 도움이 되는 요인들은 기술적이거나 일정한 것이지만 그것들은 실제로는 재료비, 임금, 구조 내역, 환경등의 경제적인 요인들이다. 이러한 요인들은 일정하에 변화해야 되기 때문에, 다른 실시예에는 최적 이용이 항상 필요로 할 것이다.

교환, 결합 및 변형은 물론 상기 명세서 및/또는 도면에 기술된 모든 각 요소 및 각각의 독특한 특징들이 창안된다. 동일한 것들은 n개의 요소 및 n=1 내지 n=∝의 값을 갖는 각각의 독특한 특징들을 보유한다.

Claims (29)

1. 20W/mK 미만이 낮은 열전도율을 갖는 흡수 및 저장체로 이루어졌으며 열을 흡수 및 저장체로 운송하기 위한 튜브시스템을 운송하는 열운반매체로 이루어진 열저장시스템으로서, 흡수 및 저장체(5)는 적어도 하나의 흡수 및 저장체보다 큰 열전도율을 갖춘 물질로 구성된 층(20)내에 판위로 확장한 열운반층을 포함하며, 층은 튜브시스템과 흡수 및 저장체에 열적으로 접속되어 있으며, 여기서 열운반매체로 이루어진 인접한 튜브부분 사이에 열운반층은 반대방향으로 흘러 세로로 분리됨을 특징으로 하는 열저장장치.
2. 제1항에 있어서, 층(20)의 열전도율은 낮은 열전도율을 갖는 흡수 및 저장체(5)보다 큰 적어도 50배임을 특징으로 하는 열저장장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 열운반층은 열운반체를 운송하는 유체/고체 열교환기에 열적으로 접속되고 개발적인 열전도층내에 열교환기는 낮은 열전도율을 갖는 흡수 및 저장체 내부 또는 외부로 열교환기까지 혹은 열교환기로부터 열을 운송하는 층에 열적으로 접속되어 있음을 특징으로 하는 열저장장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 열운반층은 펠티에소자 혹은 줄저항소자(66)에 열전도적으로 접속되고, 열에너지운반은 전기 에너지에 의해 적어도 부분적으로 실현됨을 특징으로 하는 열저장장치.
5. 제1항에 있어서, 높은 열전도율(λ_WL)을 갖는 층의 적어도 한층인 단면부(Q_WL)는 다음식과 동일하며,

   

   여기서, Q_FSt는 낮은 특정전도율(λ_FSt)을 갖는 흡수 및 저장체내로 향하는 열류의 단면을 의미함을 특징으로 하는 열저장장치.
6. 제5항에 있어서, 낮은 열전도율을 갖는 주위의 흡수 및 저장체에 열전도적으로 접속되어 있는 적어도 한층은 동, 알루미늄, 은, 금 및/또는 이러한 금속의 합금과 같은 고전도성재질로 구성됨을 특징으로 하는 열저장장치.
7. 제5항에 있어서, 높은 전도율층은 동, 알루미늄, 은 금 및 이들 합금과 같은 고열전도성의 재료로 구성되며, 원래의 장소에서 주조됨을 특징으로 하는 장치.
8. 제5항에 있어서, 고전도율층은 동, 알루미늄, 은 혹은 금 분자체이거나 이들의 합금의 공분부분을 형성하는 층으로 형성되어 소결시키는 것과 같이 처리됨이 적절함을 특징으로 하는 열저장장치.
9. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 열전도층은 열흡수 혹은 열분배면에 거의 평행하고, 낮은 열전도율을 갖는 흡수 및 저장체위에 열경계를 형성함을 특징으로 하는 열저장장치.
10. 제1항에 있어서, 대기 및 지열의 단층을 위한 지중접속 흡수 및 저장체에 열운반매체를 운송하는 튜브시스템이 제공되며, 흡수 및 저장체(5,21)내 열전도층(20,22)은 자연열류에 직각으로 놓여져 전체면을 덮고, 전체면에 걸쳐 확장한 튜브시스템(6)은 튜브시스템(6)과 흡수 및 저장체(5,21)에 열전도적으로 접속됨을 특징으로 하는 열저장장치.
11. 제10항에 있어서, 열운반유체를 수송하는 튜브시스템의 튜브는 열분류기로서 작용하는 층에 5-120㎝ 간격을 가진 레지스터형태로 배치됨을 특징으로 하는 열저장장치.
12. 제11항에 있어서, 자연토양(15, 16)에 놓인 저장체(5)는 콘크리트(21) 및/또는 지표면(15,16)내에 유체 수송도관시스템(6,6a)을 포함하여, 콘크리트 및/또는 지면에 열전도적으로 접속되며, 튜브시스템(6,6a)은 열전도율계수(λ)가 200W/mK 초과인 재질로 만들어지고, 튜브시스템에 걸쳐 확장하는 박판 혹은 회로같은 회수층의 적어도 하나에 열전도적으로 접속되며, 열전도율이 주위 콘크리트 혹은 지면물질보다 적어도 80~100배로 이루어짐을 특징으로 하는 열저장장치.
13. 제10항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서, 노면, 통로, 경사로, 계단, 주차구역과 같은 하중지지(load bearing) 지역은 열저장체로서 작용하며, 열경계를 형성하는 열포착면을 포함하여 대기집합체 및 저장체로서 작용함을 특징으로 하는 열저장장치.
14. 제13항에 있어서, 흡수 및 저장체(5)는 역청질코팅 혹은 검은 자연석 커버로서 검게되고, 페인트되거나 제공된 옥외노출 표면(31)으로 이루어짐을 특징으로 하는 열저장장치.
15. 제14항에 있어서, 열경계(31)와 열전도층(22)을 형성하는 표면 사이에 흡수 및 저장체는 열전도율(λ)이 λ=1.0-1.4W/mK인 콘크리트로 구성됨을 특징으로 하는 열저장장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 흡수최상층(21)은 2-40㎝ 사이의 두께를 가짐을 특징으로 하는 열저장장치.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 열회수평면 각각의 열전도 층 아래에 있는 최상층(21)은 열전도율(λ)이 λ>1W/mK인 콘크리트 충전물(17)에 의해 암반(15)에 열전도적으로 접속됨을 특징으로 하는 열저장장치.
18. 제17항에 있어서, 절연커버시트(25)로 작동되는 열 및/또는 방사센서가 대기에 노출된 표면(31)을 덮기위해 제공됨을 특징으로 하는 열저장장치.
19. 제18항에 있어서, 저장체(17,19,21)의 측벽의 적어도 일부분은 절연된 열전도층(23)을 포함함을 특징으로 하는 열저장장치.
20. 제19항에 있어서, 열전도층(6,22)은 입구에서 출구까지 열운반유체를 운송하기 위해 형성된 개방단부로 된 채널을 기계식, 공기압축식 및/또는 수압식으로 용접되지 않은 부분으로 확장하는 방법으로 서로 용접된 2개의 복판으로 구성됨을 특징으로 하는 열저장장치.
21. 제20항에 있어서, 열전도층은 수직판금 혹은 내부지지구를 분리함으로써 바람직하게 고정된 열운반유체를 운송하는 실제적으로 직각튜브인 하나 혹은 다중평면에 접속됨을 특징으로 하는 열저장장치.
22. 제21항에 있어서, 저장체(19)는 15-80㎝층으로 구조된, 바람직하게는 20-30㎝ 두께이며 콘크리트로 구성 열전도층을 포함함을 특징으로 하는 열저장장치.
23. 제22항에 있어서, 열회수는 잔디와 같은 개방공간에서 일어나지 않거나 집중적으로 재배되지 않으며, 지표, 침전물 및 암반과 같은 지면아래부분이 지상저장체로 사용되며, 열전도층은 5-50㎝ 깊이에 놓이므로 지면아래부분으로부터 열을 간단히 회수할 때 전도층상부의 최상층에 의해 열손실을 표면에서 막게됨을 특징으로 하는 열저장장치.
24. 제23항에 있어서, 지하수 또는 폐수흐름의 열은 회수층의 개별적인 열전도층의 배치에 의해 그러한 흐름의 내부 혹은 하부에서 이용됨을 특징으로 하는 열저장장치.
25. 제24항에 있어서, 대기 에너지 단층용 열경계를 형성하는 열저장체의 노출 표면에 표면온도는 20-200W/mK의 적당한 회수비율에서 조절됨으로써, 개별적인 방사열인 접촉 혹은 잠열에서 운반하는 회수온도는 상기 표면상의 이슬점이나 용융점인 각각의 공기온도보다 낮은 2-7˚K 온도임을 특징으로 하는 열저장장치용 동작방법.
26. 제24항에 있어서, 상기 층에 접속된 열운반층과 열회수시스템은 흡수 및 저장체의 표면으로 방사된 태양에너지가 저장체의 깊은곳에 부분적으로 운송되어 태양방사가 열운반층으로 반전된 열류에 의해 감소될 때 자동적으로 회복되는 것과 같은 방법으로 각기 동작하도록 배치됨을 특징으로 하는 열저장장치용 동작방법.
27. 제24항에 있어서, 흐름도관, 수조, 방파제, 강댐, 지지벽, 또는 외부 분리벽과 같은 토목공학목적으로 이용됨을 특징으로 하는 열저장장치의 이용법.
28. 제1항에 있어서, 마찰열을 누적하거나 동작온도는 가열하는 것을 요규하는 기계적 부품에서 열평형을 조절하는데 있어서, 낮은 열전도율을 갖는 부품내에 열전도층은 열교환기의 열전도기로서 작용함을 특징으로 하는 열저장장치의 이용법.
29. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 전기적 부품에서 온도를 조절하는데 있어서, 열전도 동, 은, 금층은 줄전기저항 열소자 또는 펠티에소자로 열전도기를 형성함을 특징으로 하는 열저장장치의 이용법.

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