WO2014193000A1 - 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법 및 이를 이용한 가스압축기와 히트펌프 - Google Patents

압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법 및 이를 이용한 가스압축기와 히트펌프 Download PDF

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박승영
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Definitions

  • the present invention relates to a natural induction heat exchange method using a pressure difference, and a gas compressor and a heat pump using the same, more specifically, by circulating the gas by using a pressure difference generated by heat exchange in one pipeline, It is to allow gas (refrigerant) to circulate in a natural induction method without using.
  • the present invention enables a simple structure and various structural modifications, it is easy to apply to devices and systems of various fields, and a pressure difference that can be easily applied to a small heat exchange module using a micro channel as well as a large heat exchange system.
  • the present invention relates to a natural heat exchange method using a gas compressor and a heat pump using the same.
  • the present invention relates to a technique for moving a gas at one point in position to another point. It also includes technology to supply external new gas to one point or to resupply gas moved to another point.
  • a pressure difference between positions to be moved is required to change (move) a position of a gas, and energy is required to form a pressure difference.
  • the required energy can be classified into mechanical energy and thermal energy.
  • An example of moving a gas by using mechanical energy is a compressor, and a compressor is a device that increases pressure by compressing a gas.
  • a positive displacement method and a dynamic displacement are largely used. It can be distinguished in a manner.
  • the positive displacement compressor is a piston type method, which is mainly used when a high pressure is required, and the dynamic method is a rotary type method, which is mainly used when a large flow rate is required.
  • the amount of driving energy is determined according to the difference between the pressure generated at the front end and the rear end. As the pressure drop of the suction part decreases and the pressure increase of the discharge part decreases, the driving energy is consumed less.
  • the compressor used in the refrigerator or the like is used to lower the internal temperature of the refrigerator by using a refrigerant, and the compressor is used for heat transfer.
  • An example of moving a gas by using thermal energy is a heat pipe, and heat pipes have an advantage in that heat can be transmitted only by their structural characteristics without requiring a driving device.
  • heat pipes due to the structural features for heat transfer, heat pipes have many limitations such as length, internal shape, and arrangement, and thus have a problem that they are used only in specific fields or products.
  • the present invention is a natural induction heat exchange method using a pressure difference that can vary the length, size and structural shape without requiring a separate drive device and gas compressor using the same And to provide a heat pump.
  • the present invention utilizes a pressure difference generated by heat exchange in one pipeline to increase the pressure of the suction part and lower the pressure of the discharge part, thereby naturally circulating the gas, without using power. It is an object of the present invention to provide a natural induction heat exchange method using a pressure difference that allows gas (refrigerant) to circulate in a natural induction method, and a gas compressor and a heat pump using the same.
  • the present invention allows a simple structure and a variety of structural modifications, it is easy to apply to devices and systems of various fields, pressure difference that can be easily applied to a small heat exchange module using a micro channel as well as a large heat exchange system. It is an object of the present invention to provide a heat exchange method using a natural induction method and a gas compressor and a heat pump using the same.
  • a natural induction heat exchange method using a pressure difference the endothermic step of absorbing the heat energy generated from the heat source of the heat source;
  • the low-temperature low-pressure discharge gas produced in the temperature reduction step may be introduced into the heat source unit through the gas suction step and the gas inlet step.
  • the method may further include a gas compression step of accumulating the low-temperature low-pressure discharge gas heat-exchanged in the compression unit to form a low-temperature high-pressure gas after the temperature reduction step, and the gas suctioning step may include a low-temperature gas introduced from the outside. Can be supplemented by inhalation.
  • the intake valve and the exhaust valve of the heat source part are controlled to be closed, and in the gas supply step, the exhaust valve of the heat source part is controlled to be opened, and in the temperature reduction step, the heat source part It may be controlled to close the exhaust valve, and in the gas inlet step, to open the intake valve of the heat source portion.
  • the heater for supplying heat to the heat source unit may be operated, and in the gas inflow step, the operation of the heater may be stopped.
  • the gas compressor using a natural induction heat exchange method using the pressure difference by supplying heat energy to the gas of low temperature to make the gas of high temperature and high pressure to convert the interior into a high pressure state, the gas of the high temperature and high pressure A heating chamber discharging the gas to convert the interior into a low pressure state;
  • the apparatus may further include a cooler configured at one side of the first heat exchanger to cool the inside of the first heat exchanger, and through the heat exchange between the first heat exchanger and the second heat exchanger, the first heat exchanger becomes a positive pressure and the second
  • the heat exchanger becomes negative pressure the gas inside the first heat exchanger flows into the heating chamber at a pressure difference across the heating chamber, and when the gas inside the first heat exchanger flows into the heating chamber, the cooler is operated.
  • external gas may be introduced into the first heat exchanger.
  • a first valve configured between the heating chamber and the inlet pipe; And a second valve configured between the heating chamber and the supply pipe, and when the first valve is closed and the second valve is opened to move the gas of high temperature and high pressure generated in the heating chamber to the second heat exchange part,
  • the low temperature gas remaining in the heat exchange unit and the high temperature and high pressure gas may exchange heat.
  • medium temperature gas generated by heat-exchanging the low temperature gas with the high temperature and high pressure gas in the first heat exchanger may be introduced into the heating chamber.
  • the apparatus may further include a cooler configured at one side of the first heat exchanger to cool the inside of the first heat exchanger, and operate the cooler to cool the inside of the first heat exchanger when the medium temperature gas flows into the heating chamber.
  • the first valve and the second valve may be closed while the external gas corresponding to the amount of gas introduced into the heating chamber is filled in the first heat exchange unit.
  • a heat exchange between the third heat exchanger formed in at least a portion of the inlet pipe between the heating chamber and the first heat exchanger, and the fourth heat exchanger formed in at least a portion of the inlet pipe from the first heat exchanger to the outside can be done.
  • At least one of the first heat exchange part and the fourth heat exchange part may be formed as a multi-tube in which gas moving inside moves in a zigzag form.
  • first and second heat exchangers may be formed.
  • At least one of the plurality of first heat exchangers may be formed as a multi-tube in which gas moving inside moves in a zigzag form.
  • the heat pump using a natural induction heat exchange method using the pressure difference the heat absorption pipe for absorbing the heat energy of the heat source;
  • a heat exchange part in which heat exchange is performed in at least part of the discharge pipe and the inlet pipe.
  • the heat exchange part the central portion is spatially connected to the heat absorption pipe side discharge pipe, the outer portion is spatially connected to the radiator side inlet pipe, the space between the central portion and the outer portion is composed of a multi-pipe connected space in a zigzag form A first multiple heat exchange tube;
  • a central portion is spatially connected to the heat absorption pipe side inlet pipe, an outer portion is connected to the first multiple heat exchange tube, and a second multiple heat exchange is composed of multiple tubes connected in a zigzag space between the central portion and the outer portion.
  • a refrigerant cooled in the radiator passes through an outer portion of the first multiple heat exchange tube and flows into an outer portion of the second multiple heat exchange tube, and heat exchanges inside the second multiple heat exchange tube to heat the first multiple.
  • the heat exchanger may be introduced into the heat exchanger tube, and may be heat-exchanged in the first multiple heat exchanger tube, and then flow through the center of the second multiple heat exchanger tube to the heat absorbing unit.
  • the heat absorption pipe, the discharge pipe, the inlet pipe and the heat exchanger is composed of a plurality of, the plurality of heat absorption pipes are arranged to be adjacent to the heat source, the plurality of discharge pipe, the inlet pipe and the heat exchanger to the heat source Arranged to be symmetrical, the plurality of heat absorption pipe, discharge pipe, inlet pipe and heat exchanger may be configured to lead to one pipe.
  • the present invention since the present invention does not require a separate drive device, the generation of vibration noise can be prevented at the source, minimizing the consumption of power (electric energy) for gas compression or heat exchange There is an advantage to this.
  • the present invention has the advantage that can be variously modified the length and size and structural shape of the gas compressor and the heat pump by circulating the gas in a natural induction manner by the pressure difference.
  • the present invention is capable of compressing the gas using the waste heat, there is an advantage that can compress the gas without using a separate heater.
  • FIG. 1 is a flow chart illustrating an embodiment of a natural induction heat exchange method using a pressure difference according to the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining another exemplary embodiment of FIG. 1.
  • 3 is a view for explaining the principle of the natural heat exchange method using the pressure difference.
  • FIG. 4 is a view for explaining the principle of operation of the gas compressor using a natural heat exchange method using the pressure difference applied to FIG.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating an embodiment of a gas compressor using a natural induction heat exchange method using a pressure difference according to the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a specific embodiment of a gas compressor to which FIG. 5 is applied.
  • FIG. 7 to 11 are diagrams illustrating other exemplary embodiments of FIG. 5.
  • FIG. 12 is a configuration diagram illustrating an embodiment of a heat pump using a natural induction heat exchange method using the pressure difference to which FIG. 3 is applied.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a specific embodiment of a heat pump to which FIG. 12 is applied.
  • FIG. 14 is a conceptual diagram schematically illustrating an operation of FIG. 12.
  • 15 to 17 are conceptual views illustrating modified embodiments of FIG. 14.
  • FIG. 18 is a configuration diagram illustrating another embodiment of a heat pump using a natural induction heat exchange method using the pressure difference to which FIG. 3 is applied.
  • 19 to 22 are views illustrating a process in which the heat pump of FIG. 18 operates.
  • FIG. 1 is a flow chart illustrating an embodiment of a natural induction heat exchange method using a pressure difference according to the present invention
  • Figure 3 is a view illustrating the principle of a natural induction heat exchange method using a pressure difference, Referring to FIG. 3, FIG. 1 will be described.
  • step S100 when absorbing the heat energy generated from the heat source (H) of the heat source portion (p1) shown in Figure 3 (step S100), the temperature (T) of the gas present in the heat source portion (p1) increases while the pressure (P) Will also rise.
  • the low temperature gas is made into a gas of high temperature and high pressure using heat energy in the heat source part p1 (step S200).
  • the high temperature and high pressure gas produced by the heat source part p1 is formed at the heat source part p1 as shown in the upper portion of FIG. 3 by the pressure difference p1> P2 between the heat source part p1 and the compression part p2. It is discharged and supplied (moved) to the compression part p2 (step S300).
  • the compression unit p2 corresponds to the case of the gas compressor for compressing gas, and in the case of the heat pump, it corresponds to the heat dissipation unit.
  • the gas of high temperature and high pressure (discharge gas) moved to the compression unit p2 is heat-exchanged in the compression unit p2 to become gas of low temperature and low pressure (step S400).
  • the low-temperature low-pressure gas heat-exchanged in the compression unit p2 may be a low-temperature high-pressure gas.
  • the low-temperature gas (intake gas sucked into the heat source unit) that exchanges heat with the high-temperature and high-pressure discharge gas in the temperature reduction step (step S400) is a pressure higher than the pressure of the heat source unit P1 while the temperature and pressure are increased by heat exchange. rises, and flows into the heat source part P1 by a pressure difference (step S500).
  • the volume of gas reduced by the intake gas introduced into the heat source part P1 is sucked up and replenished (step S600).
  • the gas sucked in and out may include a low temperature gas supplied from the outside or a low temperature gas heat exchanged in the compression unit p2.
  • the low-temperature gas (in the case of the gas compressor) or the low-temperature gas (in the case of the heat pump) that is heat-exchanged in the compression unit p2 is supplied from the outside to the heat source unit p1 as shown in the lower part of FIG. Flows into.
  • step S100 the endothermic step (step S100) to the gas suction step (step S600) is repeated to compress the gas in the compression unit p2.
  • step S100 the endothermic step (step S100) to the gas suction step (step S600) are repeated to circulate the refrigerant gas in a closed loop (step S600).
  • the gas may be introduced into the heat source unit through a gas suction step (step S600) and a gas inlet step (step S500).
  • step S100 in the endothermic step (step S100) to the gas suction step (step S600), in order to increase the pressure difference between the internal gas, so that the gas moves more smoothly, as shown in Figure 3 and the intake valve (V1) and The operation of the exhaust valve V2 can be controlled.
  • the exhaust valve V2 of the heat source part p1 is opened and endothermic while the intake valve V1 of the heat source part p1 is controlled to be closed.
  • the intake valve V1 of the heat source part p1 is opened to .
  • the temperature reduction step (step S400) and the gas inlet step (step S500) can be performed.
  • the intake valve (V1) and exhaust valve (V2) of the heat source portion (p1) in the heat absorption step (step S100) and the temperature rising step (step S200) To control the closing, to open the exhaust valve V2 of the heat source part p1 in the gas supply step (step S300), and to control the exhaust valve V2 of the heat source part P1 in the temperature reduction step (step S400). It may be controlled to close, and to open the intake valve V1 of the heat source portion p1 in the gas inlet step (step S500).
  • the discharge gas and the suction gas described above give meaning to the moving direction on the basis of the heat source part P1, and the discharge is discharged or supplied as the gas compressor or the heat pump to be described below, and suction is introduced. Can be converted to and used.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating another embodiment of FIG. 1, and FIG. 4 is a view illustrating an operation principle of a gas compressor using a natural heat exchange method using a pressure difference to which FIG. 3 is applied. Referring to Figure 2 will be described.
  • step S100 when the heater shown in FIG. 4 is operated (step S100), the gas inside the expansion chamber is converted into a gas of high temperature and high pressure (step S200), and the exhaust valve V2 is opened. While the high temperature and high pressure gas, as shown in the upper portion of Figure 4 can move to the heat exchange unit (dotted line in Figure 4) (step S300).
  • the high temperature and high pressure gas moved to the discharge tube of the heat exchange part (the upper tube of the heat exchange part in FIG. 4) is exchanged with the low temperature gas introduced into the inlet tube of the heat exchange part (the lower tube of the heat exchange part in FIG. 4) as shown in the center of FIG. 4.
  • the gas is reduced in temperature (step S400), and the low-temperature gas introduced from the outside is heat-exchanged to change to medium temperature gas, and then the pressure is increased (step S450), the inlet valve V4 is closed and the intake valve V1 is opened. While being introduced into the expansion chamber (step S500).
  • the low-temperature gas is converted into the medium temperature gas by heat exchange, the pressure is increased and supplied to the low pressure expansion chamber, so that a push effect can be obtained to the expansion chamber, and the gas heated to the medium temperature is expanded to the expansion chamber. Since it is supplied and heated, it is possible to minimize the consumption of energy for heating the gas in the expansion chamber.
  • the high temperature and high pressure gas heated in the expansion chamber and moved to the heat exchanger is converted to a low temperature gas after heat exchange, and thus the pressure is slightly lowered, thereby obtaining a pull effect on the expansion chamber. Therefore, since the pull effect and the push effect are sequentially and repeatedly generated based on the expansion chamber, the pull-push or push-pull function is performed, so that the gas inside the expansion chamber can be smoothly purged (ventilated). .
  • the intake valve V1 since the intake valve V1 is opened as a result of the increase in pressure due to the change in the medium temperature gas in the heat exchange part, the pressure in the heat exchange part may decrease because the gas of the medium temperature in which the pressure rises is introduced into the expansion chamber.
  • step S600 the exhaust valve V2 is open, heat may be supplied to the inflow pipe side of the heat exchanger, so that it may be difficult for external air to flow into the inflow pipe side of the heat exchanger. Therefore, the exhaust valve V2 is also kept closed. It is preferable to be.
  • the heat exchanger serves to perform five cycles as follows.
  • the gas can be replenished by supplying the gas to the expansion chamber by sucking the gas by the reduced pressure.
  • the heat exchanger shown in the present invention is a heat exchanger newly given the function of performing the above five cycles, and there is a distinctive distinction from the heat exchanger which performs only heat exchange between a high temperature medium and a low temperature medium. An improved effect can be obtained in terms of noise reduction and function.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an embodiment of a gas compressor using a natural induction heat exchange method using a pressure difference according to the present invention
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a specific embodiment of a gas compressor to which FIG. 5 is applied.
  • a gas compressor for compressing low-temperature low-pressure gas supplied from the gas storage 500 and storing the low-temperature high-pressure gas in the compressed gas storage tank 600 will be described.
  • the gas compressor A of the present invention includes a heating chamber 100, an inflow pipe 200, and a supply pipe 300.
  • the heating chamber 100 converts the interior into a high pressure state by supplying thermal energy to a low temperature gas to make a gas of high temperature and high pressure, and converts the interior into a low pressure state by discharging the gas of high temperature and high pressure, The low pressure gas is heated to make a gas of high temperature and high pressure, and then supplied to the supply pipe 300.
  • the inlet pipe 200 is for introducing the low-temperature gas introduced from the outside by the pressure difference in the low pressure state of the heating chamber 100 to the heating chamber 100 in a natural induction method.
  • the supply pipe 300 is for supplying the gas of the high temperature and high pressure produced in the heating chamber 100 to the outside (for example, a high pressure tank) by the pressure difference in the pressure inside the heating chamber 100 at a high pressure. will be.
  • the pressure inside the heating chamber 100 is lowered while being supplied to the supply pipe 300, and the pressure inside the heating chamber 100 is reduced.
  • low temperature gas may be supplied to the heating chamber 100 through the inlet pipe 200.
  • the gas compressor (A) of the present invention as shown in Figure 5, the first heat exchanger 210 formed in at least a portion of the inlet pipe 200, and the second formed in at least a portion of the supply pipe 300 Heat exchange may be performed between the heat exchange parts 320.
  • the high temperature and high pressure gas moved from the heating chamber 100 to the supply pipe 300 is reduced in temperature, and the low temperature gas supplied from the outside may be heated and supplied to the heating chamber 100.
  • a plurality of heat dissipation pieces 321 may be configured in the first heat exchange part 210 so that heat transferred from the second heat exchange part 320 is discharged to the outside, and is discharged to the outside by the heat dissipation pieces 321. As it corresponds to the thermal energy, the gas of high temperature and high pressure moved to the supply pipe 300 may be rapidly reduced in temperature.
  • the volume of the gas inside the first heat exchange unit 210 decreases as the temperature is reduced, the pressure is lowered as the volume decreases, as a result, the inlet valve 440 is opened, the upper gas to the first gas It can be sucked into the heat exchanger 210.
  • the gas compressor (A) of the present invention as shown in Figure 5, the first valve 410 and the heating chamber 100 and the supply pipe 300 is formed between the heating chamber 100 and the inlet pipe 200 It may include a second valve 420 configured between.
  • the first valve 410 and the second valve 420 are to improve the efficiency of the gas compressor (A).
  • the heating chamber 100 The high-temperature and high-pressure gas, which is made by the high temperature and high pressure gas, which stays in the first heat exchange unit 210 by the first valve 410 closed while moving to the second heat exchange unit 320, is more efficiently. It can be heat exchanged.
  • the medium temperature gas produced by heat exchange with the high temperature and high pressure gas in the first heat exchanger 210 is rapidly moved to the heating chamber 100 in which the pressure is lowered. Can be introduced.
  • the heating chamber 100 can make a gas of high temperature and high pressure by supplying only minimal thermal energy to the gas of medium temperature introduced, it is possible to minimize the energy consumption for operating the gas compressor A of the present invention.
  • reference numerals '430' and '440' respectively correspond to the compression valve V3 and the inlet valve V4 shown in FIG. 4, and of course, the operation method also corresponds to the description of FIG. 4.
  • first heat exchanger 210 and the second heat exchanger 320 indicate that the second heat exchanger 320 penetrates through the center of the first heat exchanger 210 of the circular tube.
  • it can be changed to a variety of structures in which heat exchange is performed as required.
  • reference numeral 550 denotes a cooler, which is used to form a negative pressure so that the gas stored in the gas reservoir 500 rapidly flows into the inlet pipe 200
  • '110' denotes an expansion chamber.
  • 120 ' represents a heater.
  • the location of the cooler 550 may be located around the first heat exchanger 210 or replaced by the heat dissipation piece 321 of FIG. 5, according to the needs of those skilled in the art, to form a negative pressure in the inlet pipe 200. It is obvious that if possible, it can be properly placed elsewhere.
  • the heater 120 which may be provided around or inside the expansion chamber 110, receives power from the endothermic step (step S100) to the discharge gas supply step (step S300) shown in FIG. 1. It may be operated to increase the temperature inside the expansion chamber 110 by supplying heat therein.
  • the gas heated up in the expansion chamber 110 can be discharged more quickly.
  • the heater 120 may be operated to lower the temperature inside the expansion chamber 110 by stopping the heat supply by stopping the power supply in the gas inlet step (step S500).
  • step S500 it is possible to maximize the amount (volume) of the gas flowing from the first heat exchange unit 210 by reducing the internal pressure of the expansion chamber (110).
  • the compression ratio of the gas is increased It can be further improved, and the power saving effect can be obtained through the control of the power supply to the heater 120.
  • FIG. 7 to 11 are diagrams illustrating other exemplary embodiments of FIG. 5.
  • the third heat exchanger 230 and the first heat exchanger 210 are formed outside at least a portion of the inlet pipe 200 between the heating chamber 100 and the first heat exchanger 210. Heat exchange may be performed between the fourth heat exchanger 240 formed in at least a portion of the inlet pipe 200.
  • the heat exchange part may be formed in multiple stages, and the heat exchange may be more efficiently performed by such a multi-stage structure.
  • This improvement in heat exchange efficiency can of course further improve the compression efficiency of the gas compressor (A) and further reduce the energy consumption.
  • the heat exchange portion is formed in parallel, and as shown in FIG. 8, a plurality of first heat exchanger 210 and a second heat exchanger 320 are formed to form a series. Of course you can.
  • At least one of the first heat exchanger 210 and the fourth heat exchanger 240 illustrated in FIGS. 7 and 8 may be a multi-tube in which gas moving inside moves in a zigzag form, as shown in FIG. 9.
  • the gas moving through each tube may be heat-exchanged with the gas moving between neighboring tubes.
  • FIG. 10 illustrates a configuration in which gas is multi-stage compressed by using the gas compressor A of the present invention.
  • the gas introduced from the gas reservoir 500 is compressed in the gas compressor A of the upper part to be compressed in the first compressor 710.
  • the gas of the first compressor 710 is compressed in the lower gas compressor A, recompressed, and supplied to the second compressor 720, and then the compressed gas storage tank 600 as shown in FIG. Can be supplied.
  • the compressibility of the gas can be improved without configuring a separate heat source.
  • the cooling purifier 800 is used to collect high purity gas.
  • the gas compressed in the gas compressor A is reduced to cryogenic temperature using liquid nitrogen, heterogeneous gases contained in the gas are liquefied. High purity gas can be collected.
  • the gas compressor A may perform the function of the gas compressor A according to the present invention using a queue without operating a heater in the heating chamber 100. Can be.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an embodiment of a heat pump using a natural induction heat exchange method using the pressure difference applied to FIG. 3, and FIG. 13 is a block diagram illustrating a specific embodiment of a heat pump to which FIG. 12 is applied. It is also.
  • the heat pump of the present invention may include a heat absorption tube 100 ′, an inlet tube 200, an outlet tube 300, a heat exchanger 900, and a radiator 990.
  • the high temperature refrigerant supplied to the radiator 990 through the discharge pipe 300 is reduced in temperature from the radiator 990 and then moved to the heat absorption pipe 100 ′ through the inlet pipe 200, thereby circulating the heat pump of FIG. 12. Done.
  • the circulation in the closed loop (closed loop) method is similar to the bottom pipe, but because the refrigerant is circulated in a natural induction method by the pressure difference, the structure of the heat absorption pipe (100 ') and the like can be variously modified.
  • the structure of the heat absorption pipe (100 ') and the like can be variously modified.
  • the pressure is reduced while the temperature of the refrigerant moving the discharge pipe 300 is lowered, the heat absorption pipe 100
  • the high temperature and high pressure of the refrigerant is sucked in, and the heat dissipation efficiency of the radiator 990 is improved, and at the same time, the pressure is increased as the temperature of the refrigerant moving in the inlet pipe 200 increases.
  • Can move quickly to the side which is the same as the push-pull function described in FIG.
  • FIG. 14 is a conceptual diagram schematically illustrating the operation of FIG. 12, and FIGS. 15 to 17 are conceptual views illustrating modified embodiments of FIG. 14.
  • the configuration of FIG. 12 may include a closed loop pipe, a heat source H, a radiator R and a cooler C, and a heat exchanger 900.
  • the heat pump structure of FIG. 14 may be configured by integrating a plurality of heat pumps as shown in FIGS. 15 and 16.
  • the upper and lower portions of the heat source H may correspond to the heat pump structure of FIG. 14, respectively.
  • the left and the right of the heat source H may be the heat of FIG. 14. It can correspond to a pump structure.
  • the heat absorption pipe 100 ′, the discharge pipe 300, the inflow pipe 200, and the heat exchanger 900 shown in FIG. 12 are configured in plural, and the plurality of heat absorption pipes 100 ′ are heat sources.
  • (H) is disposed adjacent to the center, the plurality of discharge pipe 300, the inlet pipe 200 and the heat exchanger 900 may be arranged to be symmetrical around the heat source (H).
  • the plurality of heat absorption pipes 100 ′, the discharge pipe 300, the inlet pipe 200, and the heat exchanger 900 may be configured to lead to one pipe line.
  • the control cycle can be easily reduced by half, and a sufficient heat efficiency can be obtained even with a small heat pump.
  • heat exchange may be performed using a single heat pump for a plurality of heat sources.
  • the heat pump of the present invention can not only make various structural changes, but also allow efficient heat exchange for a plurality of heat sources (or cold sources).
  • FIG. 18 is a diagram illustrating another embodiment of a heat pump using a natural induction heat exchange method using the pressure difference applied to FIG. 3, and FIGS. 19 to 22 illustrate a process of operating the heat pump of FIG. 18. It is a figure.
  • the heat exchanger 900 of the heat pump illustrated in FIG. 14 may include a first multiple heat exchange tube 910 and a second multiple heat exchange tube 920.
  • the first multiple heat exchange tube 910 may be configured as a multiple tube as shown in Figure 18, the center is spatially connected to the discharge pipe 300 side of the heat absorption tube 100 'side, the outer portion is a radiator 990 side It is spatially connected to the inlet pipe 200, and may be composed of a multi-pipe connected space in the zigzag form between the center and the outer portion.
  • the second multiple heat exchange tube 920 may be composed of the same or similar multiple tubes as the first multiple heat exchange tube 910, the center portion of which is spatially connected to the inlet pipe 200 of the heat absorption tube 100 ',
  • the outer portion may be connected to the first multiple heat exchange tube 910, and may be configured as a multi-tube connected between a central portion and the outer portion in a zigzag form.
  • the refrigerant having a lower temperature in the evaporator 990 passes through an outer portion of the first multiple heat exchange tube 910 through an inlet tube 200 to an outer portion of the second multiple heat exchange tube 920. Can be introduced.
  • the refrigerant introduced into the second multiple heat exchange tube 920 is heat-exchanged with the refrigerant moving in a neighboring pipeline in the interior as shown in FIG. Inside the pipe 910 may be heat exchange with each other and the refrigerant moving to the adjacent pipe.
  • the refrigerant passing through the center of the second multiple heat exchange tube 910 may be circulated while flowing into the heat absorbing part 100 ′.
  • the present invention can be used in the field of compressor, natural gas compression and storage, high purity gas collection, heat exchanger, air conditioner, and the like or related fields, and improve the reliability and competitiveness of products and systems. Can be.

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Abstract

본 발명은 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법 및 이를 이용한 가스압축기와 히트펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 관로 내부에서 열교환에 의해 발생되는 압력차를 이용하여 기체를 순환시킴으로써, 동력을 이용하지 않고 자연유도방식으로 기체(냉매)가 순환할 수 있도록 한 것이다. 특히, 본 발명은 별도의 구동장치를 필요로 하지 않기 때문에, 진동소음의 발생이 원천적으로 방지될 수 있으며, 기체의 압축이나 열교환을 위한 동력(전기에너지)의 소모를 최소화할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 압력차에 의해 자연유도방식으로 기체를 순환시킴으로써, 가스압축기 및 히트펌프의 길이, 크기 및 구조적 형상을 다양하게 변형할 수 있어, 다양한 장치 및 시스템에 용이하게 적용할 수 있으며, 대형 열교환 시스템뿐만 아니라 마이크로 채널을 이용한 소형 열교환 모듈에도 쉽게 적용할 수 있다. 따라서, 압축기 분야, 천연가스압축 및 보관분야, 고순도 기체 포집 분야, 열교환기분야, 공기조화기분야는 물론, 이와 유사 내지 연관된 분야에서 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

Description

압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법 및 이를 이용한 가스압축기와 히트펌프
본 발명은 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법 및 이를 이용한 가스압축기와 히트펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 관로 내부에서 열교환에 의해 발생되는 압력차를 이용하여 기체를 순환시킴으로써, 동력을 이용하지 않고 자연유도방식으로 기체(냉매)가 순환할 수 있도록 한 것이다.
특히, 본 발명은 구조가 간단하면서도 다양한 구조적 변형이 가능하도록 하므로, 다양한 분야의 장치 및 시스템에 적용이 용이하고, 대형 열교환 시스템뿐만 아니라 마이크로 채널을 이용한 소형 열교환 모듈에도 쉽게 적용할 수 있는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법 및 이를 이용한 가스압축기와 히트펌프에 관한 것이다.
본 발명은 위치상으로 어느 한 지점에 있는 가스를 다른 지점으로 이동시키는 기술에 관한 것이다. 또한 외부의 새로운 가스를 어느 한 지점으로 공급하거나, 다른 지점으로 이동된 가스를 어느 한 지점으로 재보급하는 기술을 포함한다.
일반적으로, 기체의 위치를 변경(이동)하기 위해서는 이동되는 위치 간의 압력차가 필요하며, 압력차를 형성하기 위해서는 에너지가 요구된다. 이와 같이 요구되는 에너지는 기계적 에너지와 열적 에너지를 분류될 수 있다.
기계적 에너지를 이용하여 기체를 이동시키는 예로는 압축기(Compressor)가 있으며, 압축기(Compressor)는 기체를 압축시켜 압력을 높이는 장치를 말하는 것으로, 크게 포지티브 디스플레이스먼트(Positive displacement) 방식과 다이나믹(Dynamic) 방식으로 구분할 수 있다.
포지티브 디스플레이스먼트 방식의 압축기는 피스톤을 이용하는 방식으로, 주로 높은 압력이 필요한 경우에 사용되며, 다이나믹 방식은 회전차를 이용하는 방식으로, 주로 큰 유량이 필요한 경우에 사용된다.
이러한 압축기는 선단과 후단에서 발생하는 압력의 차이에 따라 구동에너지의 양이 결정되며, 흡입부의 압력 강하가 적을수록, 토출부의 압력 증가가 적을수록 구동에너지가 적게 소모된다.
이를 위하여 다양한 방법들이 제시되고 있으며, 현재까지 알려진 바로는 대부분의 압축기를 토출부의 압력이 증가하지 않으면서도 많은 양의 공기가 이동할 수 있도록 설계할 수 있으나, 흡입부의 압력강하를 줄이는 것은 매우 어려운 일이었다.
또한, 토출부의 공기는 고온의 상태이기 때문에, 압축된 기체의 온도를 낮추어야만 한정된 공간에 많은 양의 기체를 압축하여 저장할 수 있었다.
따라서, 현재 사용되고 있는 대부분의 압축기는 그 구조가 매우 복잡하고, 크기도 상당하며, 기체의 압축에 필요한 동력이 크기 때문에 에너지의 소모 또한 매우 크다는 문제점이 있다.
또한, 포지티브 디스플레이스먼트 방식의 피스톤이나, 다이나믹 방식의 회전차를 동작시키는 과정에서, 상당한 진동이나 소음이 발생되는 문제점도 있었다.
하기의 대한민국 등록특허공보 제10-0416942호 "기체 압축 시스템"의 경우, 진동소음을 억제하고 냉각효과를 향상시키기 위한 것이나, 모터를 이용한 회전식 압축방식이라는 점에서 진동소음을 완전히 해결하지는 못할 뿐만 아니라, 구조의 복잡성 및 대형 시스템이라는 문제점을 해결하지는 못하고 있다.
한편, 냉장고 등에 사용되는 압축기는 냉매를 이용하여 냉장고의 내부온도를 낮추기 위해 사용되는 것으로, 압축기가 열전달을 위해 사용되는 경우이다.
그러나, 이러한 경우에도 압축기의 모터동작으로 인해 진동소음이 발생하게 된다.
열적 에너지를 이용하여 기체를 이동시키는 예로는 히트파이프(Heat pipe)가 있으며, 히트파이프의 경우 구동장치를 필요로 하지 않고 자체의 구조적 특징만으로 열을 전달할 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 히트파이프는 열전달을 위한 구조적 특징으로 인해, 그 길이와 내부형상 및 배치 등에 많은 제약이 발생하게 되어, 특정 분야나 제품에만 사용된다는 문제점이 있다.
전술한 바와 같이 통상의 압축기에서는 기계의 동력을 이용하여 다량의 유량 또는 초고압을 얻을 수 있으나, 흡입부의 압력이 낮으며 토출부의 압력이 높아 많은 구동에너지를 필요로 하며, 소음 진동이 많고 수명연장과 유지보수의 주기를 늘리는데 제약이 많다는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 별도의 구동장치를 필요로 하지 않으면서도 길이 및 크기와 구조적 형상을 다양하게 변형시킬 수 있는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법 및 이를 이용한 가스압축기와 히트펌프를 제공하는데 목적이 있다.
이를 위하여, 본 발명은 기계식 압축기와는 다르게, 하나의 관로 내부에서 열교환에 의해 발생되는 압력차를 이용하여, 흡입부의 압력을 높이고 토출부의 압력을 낮추어 자연적으로 기체를 순환시킴으로써, 동력을 이용하지 않고 자연유도방식으로 기체(냉매)가 순환할 수 있도록 한 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법 및 이를 이용한 가스압축기와 히트펌프를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 구조가 간단하면서도 다양한 구조적 변형이 가능하도록 하므로, 다양한 분야의 장치 및 시스템에 적용이 용이하고, 대형 열교환 시스템뿐만 아니라 마이크로 채널을 이용한 소형 열교환 모듈에도 쉽게 적용할 수 있는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법 및 이를 이용한 가스압축기와 히트펌프를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법은, 열원부의 열원에서 발생된 열에너지를 흡수하는 흡열단계; 상기 열원부에서 상기 열에너지를 이용하여 저온의 기체를 고온고압의 기체로 만드는 승온승압단계; 상기 고온고압의 기체를 압력차에 의해 토출하여 압축부로 공급하는 토출기체 공급단계; 상기 압축부에서 열교환하여 상기 고온고압의 토출기체를 저온저압의 토출기체로 만드는 감온감압단계; 상기 감온감압단계에서 상기 토출기체와 열교환되어 온도와 압력이 상승한 흡입기체를 압력차에 의해 상기 열원부로 유입하는 기체유입단계; 및 상기 열원부로 유입된 흡입기체에 의해 감소된 부피에 해당하는 기체를 흡입하여 보충하는 기체흡입단계를 포함한다.
또한, 상기 감온감압단계에서 만들어진 저온저압의 토출기체를 흡입기체로 하여, 상기 기체흡입단계 및 기체유입단계를 거쳐 상기 열원부로 유입시킬 수 있다.
또한, 상기 감온감압단계 이후에, 상기 압축부에서 열교환된 저온저압의 토출기체를 축적하여 저온고압의 기체로 만드는 기체압축단계를 더 포함하고, 상기 기체흡입단계는, 외부에서 유입되는 저온의 기체를 흡입하여 보충할 수 있다.
또한, 상기 흡열단계 내지 기체공급단계에서, 상기 열원부의 흡기밸브를 닫도록 제어하고, 상기 열원부의 배기밸브를 개방하도록 제어하며, 상기 감온단계 및 기체유입단계에서, 상기 열원부의 배기밸브를 닫도록 제어하고, 상기 열원부의 흡기밸브를 개방하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 흡열단계 및 승온승압단계에서, 상기 열원부의 흡기밸브 및 배기밸브를 닫도록 제어하고, 상기 기체공급단계에서, 상기 열원부의 배기밸브를 개방하도록 제어하며, 상기 감온단계에서, 상기 열원부의 배기밸브를 닫도록 제어하고, 상기 기체유입단계에서, 상기 열원부의 흡기밸브를 개방하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 흡열단계 및 토출기체 공급단계 중 적어도 한 단계에서는, 열원부에 열을 공급하는 히터를 동작시키고, 상기 기체유입단계에서는, 상기 히터의 동작을 중단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기는, 저온의 기체에 열에너지를 공급하여 고온고압의 기체로 만들면서 내부를 고압상태로 변환시키고, 상기 고온고압의 기체를 배출하여 내부를 저압상태로 변환시키는 가열챔버; 상기 가열챔버 내부의 압력이 저압상태에서 압력차에 의해 상기 저온의 기체를 자연유도방식으로 상기 가열챔버로 유입시키는 유입관; 상기 가열챔버 내부의 압력이 고압상태에서 압력차에 의해 상기 가열챔버에서 만들어진 고온고압의 기체를 자연유도방식으로 외부에 공급하는 공급관을 포함하며, 상기 유입관의 적어도 일부에 형성되는 제1 열교환부와, 상기 공급관의 적어도 일부에 형성되는 제2 열교환부 간에 열교환이 이루어진다.
또한, 상기 제1 열교환부의 일측에 구성되어 상기 제1 열교환부의 내부를 냉각하는 냉각기를 더 포함하고, 상기 제1 열교환부와 제2 열교환부 간의 열교환을 통해, 제1 열교환부가 양압이 되고 제2 열교환부가 음압이 되면, 상기 가열챔버 양단의 압력차에 제1 열교환부 내부의 기체가 상기 가열챔버로 유입되고, 상기 제1 열교환부 내부의 기체가 상기 가열챔버로 유입되면, 상기 냉각기를 동작시켜 상기 제1 열교환부 내부를 냉각하며, 상기 제1 열교환기 내부가 냉각되어 음압이 되면 외부의 기체가 상기 제1 열교환기 내부로 유입될 수 있다.
또한, 상기 가열챔버와 유입관 사이에 구성되는 제1 밸브; 및 상기 가열챔버와 공급관 사이에 구성되는 제2 밸브를 포함하고, 상기 제1 밸브가 닫히고 상기 제2 밸브가 개방되어 상기 가열챔버에서 만들어진 고온고압의 기체가 상기 제2 열교환부로 이동하면, 상기 제1 열교환부에 머물러 있는 저온의 기체와 상기 고온고압의 기체가 열교환할 수 있다.
또한, 상기 제2 밸브가 닫히고 상기 제1 밸브가 개방되면, 상기 제1 열교환부에서 상기 저온의 기체가 상기 고온고압의 기체와 열교환하여 만들어진 중온의 기체가 상기 가열챔버에 유입될 수 있다.
또한, 상기 제1 열교환부의 일측에 구성되어 상기 제1 열교환부의 내부를 냉각하는 냉각기를 더 포함하고, 상기 중온의 기체가 상기 가열챔버에 유입되면 상기 냉각기를 동작시켜 상기 제1 열교환부 내부를 냉각하고, 상기 가열챔버에 유입된 기체의 양에 해당하는 외부기체가 상기 제1 열교환부에 충진되는 시간동안 상기 제1 밸브 및 제2 밸브가 닫힌 상태로 유지될 수 있다.
또한, 상기 가열챔버와 상기 제1 열교환부 사이의 유입관 중 적어도 일부에 형성되는 제3 열교환부와, 상기 제1 열교환부에서 외부로 이어지는 유입관 중 적어도 일부에 형성되는 제4 열교환부 간에 열교환이 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 열교환부 및 제4 열교환부 중 적어도 하나는, 내부를 이동하는 기체가 지그재그형태로 이동하는 다중관으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 열교환부 및 제2 열교환부가 복수 개 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 제1 열교환부 중 적어도 하나는, 내부를 이동하는 기체가 지그재그형태로 이동하는 다중관으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 히트펌프는, 열원의 열에너지를 흡수하는 열흡수관; 상기 열흡수관에서 열에너지를 흡수한 냉매가 상기 열흡수관측의 압력과 방열기측의 압력차에 의해 자연유도방식으로 상기 방열기로 이동되는 배출관; 상기 방열기에서 열에너지가 배출되어 냉각된 냉매가 상기 방열기측의 압력과 상기 열흡수관측의 압력차에 의해 자연유도방식으로 상기 열흡수관으로 유입되는 유입관; 및 상기 배출관 및 유입관의 적어도 일부에서 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환부는, 중심부는 상기 열흡수관측 배출관과 공간적으로 연결되고, 외곽부는 상기 방열기측 유입관과 공간적으로 연결되며, 상기 중심부와 외곽부의 사이에는 지그재그형태로 공간이 연결되는 다중관으로 구성되는 제1 다중열교환관; 및 중심부는 상기 열흡수관측 유입관과 공간적으로 연결되고, 외곽부는 상기 제1 다중열교환관과 연결되며, 상기 중심부와 외곽부의 사이에는 지그재그형태로 공간이 연결되는 다중관으로 구성되는 제2 다중열교환관을 포함하며, 상기 방열기에서 냉각된 냉매는, 상기 제1 다중열교환관의 외곽부를 통과하여 상기 제2 다중열교환관의 외곽부로 유입되고, 제2다중열교환관의 내부에서 열교환되어 상기 제1 다중열교환관으로 유입되며, 제1 다중열교환관의 내부에서 열교환된 후 상기 제2 다중열교환관의 중심부를 통과하여 상기 열흡수부로 유입될 수 있다.
또한, 상기 열흡수관, 배출관, 유입관 및 열교환부를 복수 개로 구성하고, 상기 복수 개의 열흡수관은 열원을 중심으로 인접되도록 배치하며, 상기 복수 개의 배출관, 유입관 및 열교환부는 상기 열원을 중심으로 대칭되도록 배치하고, 상기 복수 개의 열흡수관, 배출관, 유입관 및 열교환부가 하나의 관로로 이어지도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 해결수단에 의해, 본 발명은 별도의 구동장치를 필요로 하지 않기 때문에, 진동소음의 발생이 원천적으로 방지될 수 있으며, 기체의 압축이나 열교환을 위한 동력(전기에너지)의 소모를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 압력차에 의해 자연유도방식으로 기체를 순환시킴으로써, 가스압축기 및 히트펌프의 길이 및 크기와 구조적 형상을 다양하게 변형시킬 수 있는 장점이 있다.
이를 통해, 다양한 장치 및 시스템에 용이하게 적용할 수 있으며, 대형 열교환 시스템뿐만 아니라 마이크로 채널을 이용한 소형 열교환 모듈에도 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명은 폐열을 이용한 기체의 압축이 가능하며, 별도의 히터를 이용하지 않고서도 기체를 압축시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법의 일 실시예를 설명하는 흐름도이다.
도 2는 도 1의 다른 일 실시예를 설명하는 흐름도이다.
도 3은 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법의 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 3이 적용된 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기의 동작원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기의 일 실시예를 설명하는 구성도이다.
도 6은 도 5가 적용된 가스압축기의 구체적인 일 실시예를 설명하는 구성도이다.
도 7 내지 도 11은 도 5의 다른 일 실시예들을 설명하는 구성도이다.
도 12는 도 3이 적용된 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 히트펌프의 일 실시예를 설명하는 구성도이다.
도 13은 도 12가 적용된 히트펌프의 구체적인 일 실시예를 설명하는 구성도이다.
도 14는 도 12의 동작을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 15 내지 도 17은 도 14의 변형된 실시예들을 나타내는 개념도이다.
도 18은 도 3이 적용된 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 히트펌프의 다른 일 실시예를 설명하는 구성도이다.
도 19 내지 도 22는 도 18의 히트펌프가 동작되는 과정을 설명하는 도면이다.
본 발명에 따른 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법 및 이를 이용한 가스압축기와 히트펌프에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있으며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법의 일 실시예를 설명하는 흐름도이고, 도 3은 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법의 원리를 설명하는 도면으로서, 이하에서는 도 3을 참조하여 도 1을 설명하기로 한다.
먼저, 도 3에 나타난 열원부(p1)의 열원(H)에서 발생된 열에너지를 흡수하면(단계 S100), 열원부(p1) 내부에 존재하는 기체의 온도(T)가 상승하면서 압력(P)도 상승하게 된다.
다시 말해, 열원부(p1)에서 열에너지를 이용하여 저온의 기체를 고온고압의 기체로 만들게 된다(단계 S200).
그리고, 열원부(p1)에서 만들어진 고온고압의 기체는 열원부(p1)와 압축부(p2)의 압력차(p1>P2)에 의해 도 3의 상부에 나타난 바와 같이, 열원부(p1)에서 토출되어 압축부(p2)로 공급(이동)하게 된다(단계 S300). 여기서, 압축부(p2)는 기체를 압축하는 기체압축기의 경우에 해당하는 것으로, 히트펌프의 경우에는 방열부에 해당함은 당연하다.
압축부(p2)로 이동된 고온고압의 기체(토출기체)는 압축부(p2)에서 열교환되어 저온저압의 기체가 된다(단계 S400). 이때, 기체압축기의 경우 압축부(p2)에서 열교환된 저온저압의 기체를 저온고압의 기체로 만들 수 있다.
한편, 열원부(p1)의 기체는 도 3의 상부와 같이 압축부(p2)로 이동되었으므로, 열원부(P1)의 압력은 낮아진 상태이다.
또한, 감온감압단계(단계 S400)에서 고온고압의 토출기체와 열교환하는 저온의 기체(열원부로 흡입되는 흡입기체)는, 열교환에 의해 온도와 압력이 상승하면서 열원부(P1)의 압력보다 높은 압력으로 상승되어, 압력차에 의해 열원부(P1)로 유입된다(단계 S500).
그리고, 열원부(P1)로 유입된 흡입기체에 의해 감소된 부피만큼의 기체가 흡입되면서 보충된다(단계 S600). 여기서, 흡입되어 보출되는 기체는 외부에서 공급되는 저온의 기체또는 압축부(p2)에서 열교환된 저온의 기체를 포함할 수 있다.
따라서, 외부에서 공급되는 저온의 기체(기체압축장치의 경우) 또는 압축부(p2)에서 열교환된 저온의 기체(히트펌프의 경우)는 압력차에 의해 도 3의 하부와 같이 열원부(p1)로 유입된다.
기체압축기의 경우, 상기한 흡열단계(단계 S100) 내지 기체흡입단계(단계 S600)를 반복하여 압축부(p2)에서 기체를 압축하게 된다.
히트펌프의 경우, 상기한 흡열단계(단계 S100) 내지 기체흡입단계(단계 S600)를 반복하여 냉매인 기체를 폐루프(Closed loop) 내에서 순환시키게 된다(단계 S600). 다시 말해, 감온감압단계(단계 S400)에서 만들어진 저온저압의 토출기체를 흡입기체로 하여, 기체흡입단계(단계 S600) 및 기체유입단계(단계 S500)를 거쳐 상기 열원부로 유입시킬 수 있다.
한편, 상기한 흡열단계(단계 S100) 내지 기체흡입단계(단계 S600)에서, 내부 기체의 압력차를 높여, 기체가 보다 원활하게 이동하도록 하기 위하여, 도 3에 나타난 바와 같이 흡기밸브(V1) 및 배기밸브(V2)의 동작을 제어할 수 있다.
먼저, 저속의 기체압축이나 열교환이 요구되는 장치의 경우, 열원부(p1)의 흡기밸브(V1)를 닫도록 제어한 상태에서, 열원부(p1)의 배기밸브(V2)를 개방하여, 흡열단계(단계 S100) 내지 기체공급단계(단계 S300)를 수행하고, 열원부(p1)의 배기밸브(V2)를 닫도록 제어한 상태에서, 열원부(p1)의 흡기밸브(V1)를 개방하여, 감온단계(단계 S400) 및 기체유입단계(단계 S500)를 수행할 수 있다.
이와 같이, 일측의 밸브를 개방한 상태에서 각 단계를 진행하게 되면, 하기에 설명될 방법에 비해 내부 기체의 각 영역별 압력차가 상대적으로 작아지게 되어, 본 발명에 의한 기체압축기 또는 히트펌프를 무소음으로 동작시킬 수 있다.
만약, 빠른 압축속도가 필요한 기체압축이나 열교환이 요구되는 장치의 경우, 흡열단계(단계 S100) 및 승온승압단계(단계 S200)에서 열원부(p1)의 흡기밸브(V1) 및 배기밸브(V2)를 닫도록 제어하고, 기체공급단계(단계 S300)에서 열원부(p1)의 배기밸브(V2)를 개방하도록 제어하며, 감온단계(단계 S400)에서 열원부(P1)의 배기밸브(V2)를 닫도록 제어하고, 기체유입단계(단계 S500)에서 열원부(p1)의 흡기밸브(V1)를 개방하도록 제어할 수 있다.
따라서, 각 단계별로 내부의 각 영역별의 압력차를 상대적으로 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 각 단계별로 흡기밸브(V1) 및 배기밸브(V2)의 동작을 제어하면, 본 발명에 의한 기체압축기 또는 히트펌프의 동작성능을 향상시키면서 저소음으로 동작하도록 할 수 있다.
이상에서 설명된 토출기체 및 흡입기체는 열원부(P1)를 기준으로 하여 이동방향에 의미를 부여한 것으로, 이하에서 설명될 기체압축기 또는 히트펌프에 적용됨에 따라 토출은 배출 또는 공급으로, 흡입은 유입으로 변환되어 사용될 수 있다.
도 2는 도 1의 다른 일 실시예를 설명하는 흐름도이고, 도 4는 도 3이 적용된 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기의 동작원리를 설명하는 도면으로서, 이하에서는 도 4를 참조하여 도 2를 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 도 4에 나타난 히터(Heater)가 동작되면(단계 S100) 팽창챔버(Expansion chamber) 내부의 기체가 고온고압의 기체로 변환되며(단계 S200), 배기밸브(V2)가 개방되면서 고온고압의 기체가, 도 4의 상부와 같이 열교환부(도 4에서 점선부분)로 이동할 수 있다(단계 S300).
열교환부의 배출관(도 4에서 열교환부의 상부관)로 이동된 고온고압의 기체는, 도 4의 중앙과 같이 열교환부의 유입관(도 4에서 열교환부의 하부관)으로 유입되는 저온의 기체와 열교환되면서 저온의 기체로 감온감압되고(단계 S400), 외부에서 유입된 저온의 기체는 열교환되어 중온의 기체로 바뀐 후 압력이 상승하며(단계 S450), 유입밸브(V4)는 닫히고 흡기밸브(V1)가 개방되면서 팽창챔버로 유입될 수 있다(단계 S500).
따라서, 저온의 기체가 열교환에 의해 중온의 기체로 바뀐 후 압력이 상승하면서 저압의 팽창챔버에 공급되므로, 팽창챔버에 대하여 푸쉬(Push) 효과를 얻을 수 있으며, 중온으로 가열된 기체가 팽창챔버에 공급되어 가열되므로, 팽창챔버 내의 기체를 가열하기 위한 에너지의 소모를 최소화할 수 있다.
한편, 팽창챔퍼 내에서 가열되어 열교환부로 이동된 고온고압의 기체는 열교환된 후 저온의 기체로 변환되면서 압력도 다소 낮아지게 되며, 팽창챔버에 대하여 풀(Pull) 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 팽창챔버를 기준으로 풀 효과와 푸쉬 효과가 순차적으로 반복하여 발생하면서, 풀-푸쉬 또는 푸쉬-풀 기능을 수행하게 되므로, 팽창챔버 내부의 기체가 원활하게 퍼지(Purge, 환기)될 수 있다.
그리고, 열교환부에서 중온의 기체로 바뀌어 압력이 상승한 결과로 흡기밸브 (V1)이 개방되어, 압력이 상승한 중온의 기체가 팽창챔버로 유입되었으므로, 열교환부 내부의 압력이 감소할 수 있다.
이후, 열교환부가 외부와 열교환하면서 내부의 온도가 감소하면, 열교환기 내부에 존재하는 중온의 기체도 온도가 감소하여 저압이 되므로, 흡기밸브(V1) 및 배기밸브(V2)가 닫혀진 상태에서, 유입밸브(V4)가 개방되면서 외부 공기를 열교환부의 유입관 측으로 흡입할 수 있게 된다(단계 S600). 여기서, 배기밸브(V2)가 열린 상태인 경우에는, 열교환부의 유입관측으로 열이 공급되어 외부 공기가 열교환기의 유입관 측으로 유입되는 것이 어려워질 수 있으므로, 배기밸브(V2)도 닫혀진 상태로 유지되는 것이 바람직하다.
따라서, 열교환부는 다음과 같이 다섯 가지 사이클을 수행하는 역할을 한다. 첫째, 팽창챔버로부터 토출된 고온고압의 기체를 수용할 수 있고, 둘째, 토출된 고온고압의 기체로부터 고온의 열에너지를 흡입된 저온의 기체에 전달하는 열교환 과정을 통해 고온고압 기체를 감압시킬 수 있으며, 셋째, 흡입된 저온의 기체의 온도와 압력을 증가시켜 압력차에 의해 팽창챔버에 공급할 수 있고, 넷째, 열교환기 외부를 통한 방열 과정을 통해 열교환기 내부 흡입된 기체의 온도와 압력을 감소시킬 수 있고, 다섯째, 넷째 단계에서 감소된 압력만큼 기체를 흡입함으로써 팽창챔버에 공급됨에 따라 부족해진 기체의 체적을 보충할 수 있다.
본 발명에서 보인 열교환기는 상기의 다섯가지 사이클을 수행하는 기능이 새롭게 부여된 열교환기이며, 기존에 단순히 고온 매질과 저온 매질간 열교환만 수행하는 열교환기와 뚜렷한 차별성이 있음은 물론, 자연유도방식에 의해 소음감소 및 기능면에서 향상된 효과를 얻을 수 있다.
이상에서, 본 발명에 의한 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법과 이를 이용한 기체압축방법을 살펴보았으며, 하기에서는 이와 같은 원리가 적용되는 가스압축기와 히트펌프에 대하여 구조적 특징을 중심으로 살펴보기로 한다.
도 5는 본 발명에 의한 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기의 일 실시예를 설명하는 구성도이고, 도 6은 도 5가 적용된 가스압축기의 구체적인 일 실시예를 설명하는 구성도로서, 가스저장소(500)에서 공급되는 저온저압의 가스를 압축하여 압축가스저장탱크(600)에 저온고압의 가스로 저장하는 가스압축기를 설명한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 가스압축기(A)는 가열챔버(100), 유입관(200) 및 공급관(300)을 포함한다.
가열챔버(100)는 저온의 기체에 열에너지를 공급하여 고온고압의 기체로 만들면서 내부를 고압상태로 변환시키고, 고온고압의 기체를 배출하여 내부를 저압상태로 변환시키는 것으로, 외부에서 공급되는 저온저압의 기체를 가열하여 고온고압의 기체로 만든 후 공급관(300)으로 공급하게 된다.
유입관(200)은 가열챔버(100) 내부의 압력이 저압상태에서 압력차에 의해 외부에서 유입되는 저온의 기체를 자연유도방식으로 가열챔버(100)에 유입시키기 위한 것이다.
공급관(300)은 가열챔버(100) 내부의 압력이 고압상태에서 압력차에 의해 가열챔버(100)에서 만들어진 고온고압의 기체를 자연유도방식으로 외부(예를 들어, 고압탱크)에 공급하기 위한 것이다.
다시 말해, 가열챔버(100) 내부의 기체가 가열되어 고온고압의 상태로 변환되면 공급관(300)으로 공급되면서 가열챔버(100) 내부의 압력이 낮아지게 되고, 가열챔버(100) 내부의 압력이 낮아지면 유입관(200)을 통해 저온의 기체가 가열챔버(100)로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 가스압축기(A)는 도 5에 나타난 바와 같이, 유입관(200)의 적어도 일부에 형성되는 제1 열교환부(210)와, 공급관(300)의 적어도 일부에 형성되는 제2 열교환부(320) 간에 열교환이 이루어질 수 있다.
이와 같은 열교환으로 인해, 가열챔버(100)에서 공급관(300)으로 이동된 고온고압의 기체는 감온되고, 외부에서 공급되는 저온의 기체는 승온되어 가열챔버(100)로 공급될 수 있다.
또한, 제1 열교환부(210)에는 제2 열교환부(320)에서 전달된 열이 외부로 방출되도록 복수 개의 방열편(321)이 구성될 수 있으며, 이러한 방열편(321)에 의해 외부로 방출되는 열에너지에 해당하는 만큼, 공급관(300)으로 이동된 고온고압의 기체가 빠르게 감온될 수 있다.
또한, 제1 열교환부(210) 내부의 기체는, 온도가 감온된 만큼 부피가 감소하며, 부피의 감소에 따라 압력이 하강하게 되고, 그 결과 유입밸브(440)가 개방되면서 위부기체를 제1 열교환부(210) 내부로 흡입할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 가스압축기(A)는 도 5에 나타난 바와 같이, 가열챔버(100)와 유입관(200) 사이에 구성되는 제1 밸브(410) 및 가열챔버(100)와 공급관(300) 사이에 구성되는 제2 밸브(420)를 포함할 수 있다.
이러한 제1 밸브(410) 및 제2 밸브(420)는 가스압축기(A)의 효율을 향상시키기 위한 것으로, 제1 밸브(410)가 닫히고 제2 밸브(420)가 개방되면, 가열챔버(100)에서 만들어진 고온고압의 기체가, 제2 열교환부(320)로 이동하면서 닫혀진 제1 밸브(410)에 의해 제1 열교환부(210)에 머물러 있는 저온의 기체와 고온고압의 기체가 보다 효율적으로 열교환할 수 있다.
이후, 제2 밸브(420)가 닫히고 제1 밸브(410)가 개방되면, 제1 열교환부(210)에서 고온고압의 기체와 열교환하여 만들어진 중온의 기체가 압력이 낮아진 가열챔버(100)에 빠르게 유입될 수 있다.
또한, 가열챔버(100)는 유입된 중온의 기체에 최소한의 열에너지만을 공급하여 고온고압의 기체를 만들 수 있으므로, 본 발명의 가스압축기(A)가 동작하기 위한 에너지의 소모량을 최소화할 수 있다.
도 5에서, 미설명 부호 '430' 및 '440'은 각각 도 4에 나타난 압축밸브(V3) 및 유입밸브(V4)에 대응하며, 동작방법에 대해서도 도 4의 설명에 대응함은 물론이다.
또한, 도 5에서 제1 열교환부(210) 및 제2 열교환부(320)는 원형관의 제1 열교환부(210) 중심을 제2 열교환부(320)가 관통하도록 구성된 것을 나타낸 것이며, 당업자의 요구에 따라 열교환이 이루어지는 다양한 구조로 변경될 수 있음은 물론이다.
또한, 도 6에서 미설명 부호 '550'은 냉각기를 나타낸 것으로, 가스저장소(500)에 저장된 가스가 유입관(200)으로 신속히 유입되도록 음압을 형성하기 위한 것이며, '110'은 팽창챔버, '120'은 히터를 나타낸 것이다. 여기서, 냉각기(550)의 위치는 당업자의 요구에 따라 제1 열교환부(210) 주위에 위치하거나, 도 5의 방열편(321)으로 대체될 수 있으며, 유입관(200)에 음압을 형성할 수 있다면 다른 곳에 적절히 배치될 수 있음은 자명하다.
또한, 팽창챔버(110) 주변 또는 내부에 구비될 수 있는 히터(120)는, 도 1에 나타난 흡열단계(단계 S100) 내지 토출기체 공급단계(단계 S300)에서 전원을 공급받아 팽창챔버(110) 내부에 열을 공급하여 팽창챔버(110) 내부의 온도를 상승시키도록 동작할 수 있다.
이를 통해, 팽창챔버(110) 내부에서 승온승압된 기체를 보다 신속하게 토출시킬 수 있다.
또한, 히터(120)는 기체유입단계(단계 S500)에서 전원공급이 중단되어 열 공급을 차단함으로써, 팽창챔버(110) 내부의 온도를 하강시키도록 동작할 수 있다.
이를 통해, 기체유입단계(단계 S500)에서, 팽창챔버(110)의 내부 압력을 감소시켜 제1 열교환부(210)으로부터 유입되는 기체의 양(부피)을 극대화 할 수 있다.
따라서, 히터(120)의 동작을 각 단계별로 제어함으로써, 팽창챔버(110)와 팽창챔버(110)의 양측(유입관측과 공급관측) 중 어느 일측과의 압력차를 극대화하여, 기체의 압축비를 보다 더 향상시킬 수 있으며, 히터(120)에 대한 전원공급의 제어를 통해 절전 효과를 얻을 수 있다.
도 7 내지 도 11은 도 5의 다른 일 실시예들을 설명하는 구성도이다.
도 7을 참조하면, 가열챔버(100)와 제1 열교환부(210) 사이의 유입관(200) 중 적어도 일부에 형성되는 제3 열교환부(230)와, 제1 열교환부(210)에서 외부로 이어지는 유입관(200) 중 적어도 일부에 형성되는 제4 열교환부(240) 간에 열교환이 이루어지도록 할 수 있다.
다시 말해, 열교환이 이루어지는 부분을 다단으로 형성할 수 있으며, 이와 같은 다단구조에 의해 보다 효율적으로 열교환이 이루어질 수 있다. 이와 같은 열교환의 효율성 향상은 가스압축기(A)의 압축효율을 더욱 향상시키고 에너지소모량을 보다 더 줄일 수 있음은 물론이다.
도 7의 경우, 열교환이 일어나는 부분을 병렬적 형태로 구성한 것이며, 도 8에 나타난 바와 같이 제1 열교환부(210) 및 제2 열교환부(320)를 복수 개 형성함으로써, 직렬적 형태로 구성할 수도 있음은 물론이다.
또한, 도 7 및 도 8에 나타난 제1 열교환부(210) 및 제4 열교환부(240) 중 적어도 하나는, 도 9에 나타난 바와 같이, 내부를 이동하는 기체가 지그재그형태로 이동하는 다중관으로 형성될 수 있으며, 각 관을 이동하는 기체는 이웃하는 관 간을 이동하는 기체와 열교환이 이루어질 수 있다
도 10은 본 발명의 가스압축기(A)를 이용하여 기체를 다단압축하는 구성을 나타낸 것으로, 가스저장소(500)에서 유입되는 기체는 상부의 가스압축기(A)에서 압축되어 제1 압축기(710)로 공급되며, 제1 압축기(710)의 기체는 하부의 가스압축기(A)에서 압축되어 재압축되어 제2 압축기(720)로 공급된 후, 도 6에 나타난 바와 같은 압축가스저장탱크(600)로 공급될 수 있다.
도 10에 나타난 바와 같이, 가스의 압축을 다단으로 수행할 경우, 보다 적은 열에너지로도 충분한 가스압축효율을 얻을 수 있다.
따라서, 태양열이나 지열과 같은 자연에너지를 이용하더라도 충분한 압력으로 가스를 압축할 수 있으며, 이는 에너지 효율을 극대화할 뿐만 아니라 친환경성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 11에 나타난 바와 같이 극저온의 냉각정화장치(800)를 이용하는 경우에는 별도의 열원을 구성하지 않고서도 기체의 압축률을 향상시킬 수 있다.
냉각정화장치(800)는 고순도의 기체를 포집하기 위해 사용되는 것으로, 액체질소 등을 이용하여 가스압축기(A)에서 압축된 기체를 극저온으로 낮추게 되면, 기체에 포함된 이종의 기체가 액화되므로, 고순도의 기체를 포집할 수 있다.
또한, 해당 기체가 극저온상태로 변화되기 때문에 압축가스저장탱크(600)에 저장되는 기체의 압력을 보다 상승시킬 수 있으며, 냉각정화장치(800)의 극저온 증기를 가스압축기(A)의 열교환부로 공급하면, 가스저장소(500)에서 유입되는 기체가 상대적으로 고온인 상태가 되므로, 가열챔버(100)에서 히터를 동작하지 않고서도 대기열을 이용하여 본 발명에 의한 가스압축기(A)의 기능을 수행할 수 있다.
도 12는 도 3이 적용된 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 히트펌프의 일 실시예를 설명하는 구성도이고, 도 13은 도 12가 적용된 히트펌프의 구체적인 일 실시예를 설명하는 구성도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 히트펌프는 열흡수관(100'), 유입관(200), 배출관(300), 열교환부(900) 및 방열기(990)를 포함할 수 있다.
도 12에서, 배출하고자 하는 열원(H)의 열에너지가 열흡수관(100')으로 흡수되면, 열흡수관(100')의 냉매가 열에너지를 흡수하여 배출관(300)을 통해 방열기(990)측으로 이동하게 된다. 여기서, 배출관의 도면부호는 도 5의 공급관과 동일하게 부여하였으며, 이는 해당 구성이 가스압축기 또는 히트펌프에 적용됨에 의해 기능적으로만 변경된 것임을 나타내기 위한 것이다.
배출관(300)을 통해 방열기(990)로 공급된 고온의 냉매는 방열기(990)에서 감온된 후 유입관(200)을 통해 열흡수관(100')으로 이동되면서, 도 12의 히트펌프를 순환하게 된다.
다시 말해, 폐루프(Closed loop) 방식으로 순환함에 있어서는 히프파이프와 유사하나, 냉매가 압력차에 의해 자연유도방식으로 순환되므로, 열흡수관(100') 등의 구조를 다양하게 변형시킬 수 있고, 크기나 형상에 제약이 없다는 점에서 히프파이프에 비하여 상당한 장점이 있음을 알 수 있다.
또한, 배출관(300) 및 유입관(200)의 적어도 일부에서 열교환이 이루어지는 열교환부(900)를 구성함으로써, 배출관(300)을 이동하는 냉매의 온도가 낮아지면서 압력이 감소하여 열흡수관(100')의 고온고압인 냉매를 흡입하게 되며, 방열기(990)의 열배출효율을 향상시킴과 동시에, 유입관(200을 이동하는 냉매의 온도가 상승되면서 압력이 증가되어 열흡수관(100') 측으로 신속하게 이동할 수 있다. 이는 도 2에서 설명된 푸쉬-풀 기능과 동일하다.
따라서, 도 12에 나타난 열교환부(900)에 의해 히트펌프의 전체 효율이 향상될 수 있음을 알 수 있다.
도 14는 도 12의 동작을 개략적으로 나타낸 개념도이고, 도 15 내지 도 17은 도 14의 변형된 실시예들을 나타내는 개념도이다.
도 14를 참조하면, 도 12의 구성은 크게 폐루프 형태의 관로와, 열원(H), 방열기(R) 및 냉각기(C), 그리고 열교환부(900)로 구성될 수 있다.
도 14의 히트펌프 구조는 도 15 및 도 16과 같이 복수 개의 히트펌프를 하나로 통합하여 구성할 수 있다.
다시 말해, 도 15의 경우 열원(H)을 중심으로 상부 및 하부가 각각 도 14의 히트펌프 구조에 대응할 수 있으며, 도 16의 경우 열원(H)을 중심으로 좌측 및 우측이 각각 도 14의 히트펌프 구조에 대응할 수 있다.
이를 다시 설명하면, 도 12에 나타난 열흡수관(100'), 배출관(300), 유입관(200) 및 열교환부(900)를 복수 개로 구성하고, 복수 개의 열흡수관(100')은 열원(H)을 중심으로 인접되도록 배치하며, 복수 개의 배출관(300), 유입관(200) 및 열교환부(900)는 열원(H)을 중심으로 대칭되도록 배치할 수 있다.
그리고, 복수 개의 열흡수관(100'), 배출관(300), 유입관(200) 및 열교환부(900)가 하나의 관로로 이어지도록 구성할 수 있는 것이다.
이와 같이, 하나의 열원(H)에 대하여 복수 개의 히트펌프를 하나로 통합하여 적용할 경우, 절반의 효율을 갖는 히트펌프만으로도 열교환효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 다시 말해, 도 14의 히트펌프가 2사이클을 수행하여 얻을 수 있는 열효율을 도 15 및 도 16의 히트펌프는 1사이클 만으로도 얻을 수 있게 되는 것이다.
이는 도 14의 히트펌프를 이용하는 것에 비하여, 동작주기를 절반으로 줄임으로써, 제어를 용이하게 할 수 있으며, 소형 히트펌프로도 충분한 열효율을 확보할 수 있다는 장점을 얻을 수 있는 것이다.
또한, 도 17에 나타난 바와 같이, 복수 개의 열원에 대하여 하나의 히트펌프를 이용하여 열교환을 수행할 수도 있다.
결과적으로, 본 발명의 히트펌프는 다양한 구조적 변경이 가능할 뿐만 아니라, 복수 개의 열원(또는 냉원)에 대해서도 효율적인 열교환이 이루어질 수 있도록 할 수 있다.
도 18은 도 3이 적용된 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 히트펌프의 다른 일 실시예를 설명하는 구성도이고, 도 19 내지 도 22는 도 18의 히트펌프가 동작되는 과정을 설명하는 도면이다.
도 18을 참조하면, 도 14에 나타난 히트펌프의 열교환부(900)는 제1 다중열교환관(910) 및 제2 다중열교환관(920)을 포함할 수 있다.
제1 다중열교환관(910)은 도 18에 나타난 바와 같이 다중관으로 구성될 수 있며, 중심부는 열흡수관(100')측 배출관(300)과 공간적으로 연결되고, 외곽부는 방열기(990)측 유입관(200)과 공간적으로 연결되며, 중심부와 외곽부의 사이에는 지그재그형태로 공간이 연결되는 다중관으로 구성될 수 있다.
제2 다중열교환관(920)은 제1 다중열교환관(910)과 동일 내지 유사한 다중관으로 구성될 수 있으며, 중심부는 열흡수관(100')측 유입관(200)과 공간적으로 연결되고, 외곽부는 제1 다중열교환관(910)과 연결되며, 중심부와 외곽부의 사이에는 지그재그형태로 공간이 연결되는 다중관으로 구성될 수 있다.
이와 같은 히트펌프의 동작을 살펴보면, 도 19에 나타난 바와 같이 열흡수관(100')에서 열원(H)의 열에너지를 흡수환 냉매는, 배출관(300)을 따라 제1 다중열교환관(910)를 통과하여 증발기(990)로 이동할 수 있다.
그리고, 증발기(990)에서 온도가 낮아진 냉매는 도 20에 나타난 바와 같이, 유입관(200)을 통해 제1 다중열교환관(910)의 외곽부를 통과하여 제2 다중열교환관(920)의 외곽부로 유입될 수 있다.
제2 다중열교환관(920)으로 유입된 냉매는, 도 21에 나타난 바와 같이 내부에서 이웃하는 관로를 이동하는 냉매와 상호간에 열교환되어 제1 다중열교환관(910)으로 유입되며, 제1 다중열교환관(910)의 내부에서 이웃하는 관로를 이동하는 냉매와 상호간에 열교환될 수 있다.
이후, 제2 다중열교환관(910)의 중심부를 통과한 냉매는 열흡수부(100')로 유입되면서 순환될 수 있다.
이상에서 본 발명에 의한 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법 및 이를 이용한 가스압축기와 히트펌프에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지는 것이므로, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 압축기 분야, 천연가스압축 및 보관분야, 고순도 기체 포집 분야, 열교환기분야, 공기조화기분야는 물론, 이와 유사 내지 연관된 분야에서 이용이 가능하며, 제품 및 시스템의 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 열원부의 열원에서 발생된 열에너지를 흡수하는 흡열단계;
    상기 열원부에서 상기 열에너지를 이용하여 저온의 기체를 고온고압의 기체로 만드는 승온승압단계;
    상기 고온고압의 기체를 압력차에 의해 토출하여 압축부로 공급하는 토출기체 공급단계;
    상기 압축부에서 열교환하여 상기 고온고압의 토출기체를 저온저압의 토출기체로 만드는 감온감압단계;
    상기 감온감압단계에서 상기 토출기체와 열교환되어 온도와 압력이 상승한 흡입기체를 압력차에 의해 상기 열원부로 유입하는 기체유입단계; 및
    상기 열원부로 유입된 흡입기체에 의해 감소된 부피에 해당하는 기체를 흡입하여 보충하는 기체흡입단계를 포함하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감온감압단계에서 만들어진 저온저압의 토출기체를 흡입기체로 하여,
    상기 기체흡입단계 및 기체유입단계를 거쳐 상기 열원부로 유입시키는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 감온감압단계 이후에,
    상기 압축부에서 열교환된 저온저압의 토출기체를 축적하여 저온고압의 기체로 만드는 기체압축단계를 더 포함하고,
    상기 기체흡입단계는,
    외부에서 유입되는 저온의 기체를 흡입하여 보충하는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡열단계 내지 기체공급단계에서,
    상기 열원부의 흡기밸브를 닫도록 제어하고, 상기 열원부의 배기밸브를 개방하도록 제어하며,
    상기 감온단계 및 기체유입단계에서,
    상기 열원부의 배기밸브를 닫도록 제어하고, 상기 열원부의 흡기밸브를 개방하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡열단계 및 승온승압단계에서,
    상기 열원부의 흡기밸브 및 배기밸브를 닫도록 제어하고,
    상기 기체공급단계에서,
    상기 열원부의 배기밸브를 개방하도록 제어하며,
    상기 감온단계에서,
    상기 열원부의 배기밸브를 닫도록 제어하고,
    상기 기체유입단계에서,
    상기 열원부의 흡기밸브를 개방하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡열단계 및 토출기체 공급단계 중 적어도 한 단계에서는,
    열원부에 열을 공급하는 히터를 동작시키고,
    상기 기체유입단계에서는,
    상기 히터의 동작을 중단하는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법.
  7. 저온의 기체에 열에너지를 공급하여 고온고압의 기체로 만들면서 내부를 고압상태로 변환시키고, 상기 고온고압의 기체를 배출하여 내부를 저압상태로 변환시키는 가열챔버;
    상기 가열챔버 내부의 압력이 저압상태에서 압력차에 의해 상기 저온의 기체를 자연유도방식으로 상기 가열챔버로 유입시키는 유입관;
    상기 가열챔버 내부의 압력이 고압상태에서 압력차에 의해 상기 가열챔버에서 만들어진 고온고압의 기체를 자연유도방식으로 외부에 공급하는 공급관을 포함하며,
    상기 유입관의 적어도 일부에 형성되는 제1 열교환부와, 상기 공급관의 적어도 일부에 형성되는 제2 열교환부 간에 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 열교환부의 일측에 구성되어 상기 제1 열교환부의 내부를 냉각하는 냉각기를 더 포함하고,
    상기 제1 열교환부와 제2 열교환부 간의 열교환을 통해, 제1 열교환부가 양압이 되고 제2 열교환부가 음압이 되면, 상기 가열챔버 양단의 압력차에 제1 열교환부 내부의 기체가 상기 가열챔버로 유입되고,
    상기 제1 열교환부 내부의 기체가 상기 가열챔버로 유입되면, 상기 냉각기를 동작시켜 상기 제1 열교환부 내부를 냉각하며, 상기 제1 열교환기 내부가 냉각되어 음압이 되면 외부의 기체가 상기 제1 열교환기 내부로 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 가열챔버와 유입관 사이에 구성되는 제1 밸브; 및
    상기 가열챔버와 공급관 사이에 구성되는 제2 밸브를 포함하고,
    상기 제1 밸브가 닫히고 상기 제2 밸브가 개방되어 상기 가열챔버에서 만들어진 고온고압의 기체가 상기 제2 열교환부로 이동하면, 상기 제1 열교환부에 머물러 있는 저온의 기체와 상기 고온고압의 기체가 열교환하는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제2 밸브가 닫히고 상기 제1 밸브가 개방되면, 상기 제1 열교환부에서 상기 저온의 기체가 상기 고온고압의 기체와 열교환하여 만들어진 중온의 기체가 상기 가열챔버에 유입되는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 열교환부의 일측에 구성되어 상기 제1 열교환부의 내부를 냉각하는 냉각기를 더 포함하고,
    상기 중온의 기체가 상기 가열챔버에 유입되면 상기 냉각기를 동작시켜 상기 제1 열교환부 내부를 냉각하고, 상기 가열챔버에 유입된 기체의 양에 해당하는 외부기체가 상기 제1 열교환부에 충진되는 시간동안 상기 제1 밸브 및 제2 밸브가 닫힌 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기.
  12. 제 7항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열챔버와 상기 제1 열교환부 사이의 유입관 중 적어도 일부에 형성되는 제3 열교환부와, 상기 제1 열교환부에서 외부로 이어지는 유입관 중 적어도 일부에 형성되는 제4 열교환부 간에 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 열교환부 및 제4 열교환부 중 적어도 하나는,
    내부를 이동하는 기체가 지그재그형태로 이동하는 다중관으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기.
  14. 제 7항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열교환부 및 제2 열교환부가 복수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 열교환부 중 적어도 하나는,
    내부를 이동하는 기체가 지그재그형태로 이동하는 다중관으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 가스압축기.
  16. 열원의 열에너지를 흡수하는 열흡수관;
    상기 열흡수관에서 열에너지를 흡수한 냉매가 상기 열흡수관측의 압력과 방열기측의 압력차에 의해 자연유도방식으로 상기 방열기로 이동되는 배출관;
    상기 방열기에서 열에너지가 배출되어 냉각된 냉매가 상기 방열기측의 압력과 상기 열흡수관측의 압력차에 의해 자연유도방식으로 상기 열흡수관으로 유입되는 유입관; 및
    상기 배출관 및 유입관의 적어도 일부에서 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 히트펌프.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 열교환부는,
    중심부는 상기 열흡수관측 배출관과 공간적으로 연결되고, 외곽부는 상기 방열기측 유입관과 공간적으로 연결되며, 상기 중심부와 외곽부의 사이에는 지그재그형태로 공간이 연결되는 다중관으로 구성되는 제1 다중열교환관; 및
    중심부는 상기 열흡수관측 유입관과 공간적으로 연결되고, 외곽부는 상기 제1 다중열교환관과 연결되며, 상기 중심부와 외곽부의 사이에는 지그재그형태로 공간이 연결되는 다중관으로 구성되는 제2 다중열교환관을 포함하며,
    상기 방열기에서 냉각된 냉매는,
    상기 제1 다중열교환관의 외곽부를 통과하여 상기 제2 다중열교환관의 외곽부로 유입되고, 제2다중열교환관의 내부에서 열교환되어 상기 제1 다중열교환관으로 유입되며, 제1 다중열교환관의 내부에서 열교환된 후 상기 제2 다중열교환관의 중심부를 통과하여 상기 열흡수부로 유입되는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 히트펌프.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서,
    상기 열흡수관, 배출관, 유입관 및 열교환부를 복수 개로 구성하고,
    상기 복수 개의 열흡수관은 열원을 중심으로 인접되도록 배치하며,
    상기 복수 개의 배출관, 유입관 및 열교환부는 상기 열원을 중심으로 대칭되도록 배치하고,
    상기 복수 개의 열흡수관, 배출관, 유입관 및 열교환부가 하나의 관로로 이어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법을 이용한 히트펌프.
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