WO2015080453A1

WO2015080453A1 - 대기권 열교환 시스템 및 그를 이용한 열교환 방법

Info

Publication number: WO2015080453A1
Application number: PCT/KR2014/011395
Authority: WO
Inventors: 유병덕; 민현수; 황농문
Original assignee: 서울시립대학교산학협력단; 서울대학교산학협력단
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2015-06-04
Also published as: KR101503736B1

Abstract

본 발명은 대기권 열교환 시스템 및 그를 이용한 열교환 방법에 관한 것으로, 본 발명의 대기권 열교환 시스템은, 대기권 상공에 체류하도록 구비되는 부유체; 상기 부유체에 연결되어 대기권 상공에서 열을 교환하게 하는 복수의 열교환 대상체; 상기 열교환 대상체를 승강하게 하는 승강장치; 및 상기 승강장치의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 간단한 구조를 통해 냉방 등이 필요할 시점에 물 등과 같은 열교환 매체를 용기에 담아 대기권 상공으로 올린 상태에서 대기권 상공의 낮은 온도에서 주변 대기와 열을 교환하여 열이 교환된 물 혹은 얼음 등과 같은 열교환 매체를 지상으로 운반할 수 있는 기술적 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 지상에서 부유체를 지주타워 없이 와이어에 의해 지지하게 하므로 도르래를 지지하는 지주타워의 설치가 필요 없고, 지주타워가 없기에 열교환 높이를 자유롭게 조절하고 지주타워 방식보다 시공이 수월해지는 기술적 효과가 있다.

Description

대기권 열교환 시스템 및 그를 이용한 열교환 방법

본 발명은 대기권 열교환 시스템 및 그를 이용한 열교환 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지상과 대기권과의 온도 차를 이용하여 대기권 상공에서 주변 대기와 대기권 상공으로 올린 열교환매체가 열을 교환하는 대기권 온도분포를 이용한 대기권 열교환 시스템 및 그를 이용한 열교환 방법에 관한 것이다.

일반적으로 냉방 및 냉장을 위하여 화석연료를 이용하거나, 화석연료 또는 원자력을 이용하여 생산되는 전기에너지를 사용하고 있지만, 상기 화석연료방식은 연소과정에서 배출되는 이산화탄소를 비롯한 각종 공해물질로 인하여 환경을 오염시키는 문제점을 갖고 있다. 그리고 이러한 화석연료자원은 양적으로 한정되어 있어 이를 극복하고자 대체에너지 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 대체에너지 기술에는 풍력, 태양열, 태양광 등의 기술이 있다. 이들 대체에너지로 생산된 전력을 이용하여 냉방 및 냉장이 실시되지만, 대체에너지에서 전력, 전력에서 냉방 및 냉장으로 에너지 변환을 실시하는 효율이 낮아 냉방 및 냉장에 많은 비용이 드는 문제점을 갖고 있다.

보다 직접적인 열교환과 관련하여 눈을 이용한 냉방 및 냉장 기술이 있다. 상기 기술의 경우, 냉방 및 냉장 등을 실시하는 장소 부근에서 겨울철에 자연적으로 내린 눈을 모아 저장을 하면 된다. 그러나 상기 기술과 같은 경우에 눈 속에 온갖 종류의 오물을 포함하고 있고, 이로 인해 눈이 융해한 후에 눈 저장고를 청소해야 하고, 융해된 물 또한 오염된 물질을 포함하고 있는 등 여러 가지 환경적 문제점을 갖고 있다. 이러한 문제 발생을 방지하기 위해서는 오염되지 않은 눈을 먼 곳으로부터 운반해 와야 한다. 하지만 오염되지 않은 눈을 대량으로 운반해 오는 것은 에너지를 절감하는 것이 아니라 또 다른 큰 운반 에너지를 필요로 하는 문제점을 야기한다.

이와 같은 문제점 해결을 위한 기술형태로, 일본공개특허 제2010-121854호(2010. 6. 3., 이하 ‘종래기술’이라 함)와 같은 기술을 들 수 있다. 상기한 종래기술은, 도 1에서 보는 바와 같이 겨울철에 자연적으로 내린 눈이 아니라 인공적으로 만든 눈을 냉방 또는 냉장에 사용하는 기술에 관한 것으로, 냉방 및 냉장에 사용하기 위해 겨울부터 여름까지 차가운 눈을 저장할 필요가 없고, 눈 저장고에 정수된 깨끗한 물로 만들어진 인공눈을 사용하기에 친환경적 냉방 및 냉장을 실시할 수 있는 기술구성을 구체적으로 개시하고 있다.

상기의 종래기술과 같은 경우, 인공눈을 이용하기에 환경친화적인 기술효과를 얻을 수 있지만 냉방 및 냉장을 실시하는 혹서기에 정수된 물로 인공눈을 강제로 만드는데 따르는 에너지의 소모 등 장치운영에 많은 비용이 드는 문제점을 갖고 있다.

본 발명의 목적은, 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 간단한 구조를 통해 냉방 등이 필요할 시점에 물 등과 같은 열교환 매체를 용기에 담아 대기권 상공으로 올린 상태에서 대기권 상공의 낮은 온도에서 주변 대기와 열을 교환하여 열이 교환된 물 혹은 얼음 등의 열교환 매체를 지상으로 운반할 수 있게 한 대기권 열교환 시스템 및 그를 이용한 열교환 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 지상에서 부유체를 지주타워 없이 지지하게 하므로 승강장치를 지지하는 지주타워의 설치가 필요 없고, 지주타워가 없기에 열교환 높이를 자유롭게 조절 가능한 대기권 열교환 시스템 및 그를 이용한 열교환 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 대기권 상공에 체류하도록 구비되는 부유체; 상기 부유체에 연결되어 대기권 상공에서 열을 교환하게 하는 복수의 열교환 대상체; 상기 열교환 대상체를 승강하게 하는 승강장치; 및 상기 승강장치의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 대기권 온도분포를 이용한 열교환 시스템을 통해 달성된다.

또한, 본 발명에서의 상기 부유체에는 내부 기체의 배출 정도를 조절하도록 기체 배출기가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 부유체의 부유 높이가 상기 제어부를 통해 제어되도록 부유 높이 조절장치가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명에서의 상기 부유 높이 조절장치는, 상기 부유체의 부유 높이를 제한하도록 연결되는 고정용 부유체 와이어; 및 상기 고정용 부유체 와이어의 끝단에 구비되어 상기 고정용 부유체 와이어를 감거나 풀도록 동력을 제공하는 부유체 동력원을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서의 상기 승강장치는 상기 부유체에 이동 가능하게 연결되는 와이어; 및 상기 와이어의 양 끝단에 구비되어 상기 제어부의 제어를 통해 상기 와이어를 감거나 풀어 도중에 연결된 상기 열교환 대상체를 승강시킬 수 있도록 동력을 제공하는 동력원을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서의 상기 열교환 대상체는 일측과 타측의 위치가 상반되게 배치될 수 있다.

또한, 본 발명에서의 상기 열교환 대상체는 일측과 타측의 질량이 유사 또는 동일한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 열교환 대상체는 내부에 열교환 매체가 담기는 용기가 구비되며, 대기권 상공의 낮은 온도에서 주변 대기와 열을 교환하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에서의 상기 열교환 대상체의 용기는 열전도율이 높은 금속재질로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서의 상기 용기는 복수의 작은 용기를 와이어에 일렬로 연결할 수 있다.

또한, 본 발명에서의 상기 제어부는 지상에서의 상기 열교환 대상체 높이와 대기권 상공에서의 체류 시간을 통해 열교환 효율을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 부유체에 연결되어 대기권 상공의 상태를 계측하는 계측기를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 부유체와, 상기 열교환 대상체 및 상기 부유 높이 조절장치의 고정용 부유체 와이어와, 상기 승강장치의 와이어에 발광체가 설치될 수 있다.

본 발명은, 부유체를 부유시키는 단계; 상기 부유체를 부유시킨 후 일측 열교환 대상체 내에 열교환 매체를 주입하는 단계; 상기 열교환 매체를 주입한 상기 일측 열교환 대상체를 대기권 상공으로 상승하는 단계; 상기 일측 열교환 대상체가 상승함에 따라 하강된 타측 열교환 대상체 내에 열교환 매체를 주입하는 단계; 상기 일측 열교환 대상체의 열을 대기권 상공의 낮은 온도에서 주변 대기와 열을 교환하는 단계; 상기 열이 교환된 열교환 매체를 수거하기 위해 상기 일측 열교환 대상체를 하강시키는 단계: 및 지상으로 하강된 상기 일측 열교환 대상체를 지상구조물에 고정시키고 열교환 매체를 수거하는 단계를 포함하는 대기권 열교환 시스템을 이용한 열교환 방법을 통해 달성된다.

또한, 본 발명에서는, 상기 일측 열교환 대상체가 하강함에 따라 상기 타측 열교환 대상체가 대기권 상공으로 상승하는 단계; 상기 타측 열교환 대상체의 열을 대기권 상공의 낮은 온도에서 주변 대기와 열을 교환하는 단계; 상기 열이 교환된 열교환 매체를 수거하기 위해 상기 타측 열교환 대상체를 하강시키는 단계: 및 상기 지상으로 하강된 타측 열교환 대상체를 지상구조물에 고정시키고 열교환 매체를 수거하는 단계가 더 수행될 수 있다.

본 발명에 의하면, 간단한 구조를 통해 냉방 등이 필요할 시점에 물 등과 같은 열교환 매체를 일측 용기에 담아 대기권 상공으로 올린 상태에서 대기권 상공의 낮은 온도에서 주변 대기와 열을 교환하여 열이 교환된 물 혹은 얼음 등의 열교환 매체를 지상으로 운반하는데 유사한 혹은 동일한 질량의 열교환 매체를 타측 용기에 담아 상승하게 하는 방식을 채택, 적용하므로 열교환매체의 운반에 드는 에너지의 소비효율을 높이는 것은 물론, 관리 및 유지비용을 줄이는 기술적 효과를 얻는다.

또한, 본 발명에 의하면, 지상에서 부유체를 지주타워 없이 와이어에 의해 지지하게 하므로 승강장치를 지지하는 지주타워의 설치가 필요 없고, 지주타워가 없기에 열교환 높이를 자유롭게 조절하고 지주타워 방식보다 시공이 수월해지는 등의 기술적 효과까지도 기대할 수 있다.

도 1은 종래기술에서 인공눈에 의한 냉방 냉장 장치의 실시예를 개략적으로 나타내 보인 외관 사시도이다.

도 2는 본 발명에 의한 대기권 열교환 시스템을 도시한 개략도이다.

도 3은 본 발명에 의한 대기권 열교환 시스템에서 승강장치를 제외한 나머지 부분을 도시한 측면도이다.

도 4는 본 발명에 의한 대기권 열교환 시스템의 작동 상태도이다.

도 5는 본 발명에 의한 대기권 열교환 시스템을 이용한 열교환 방법을 도시한 블록도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

11: 부유체 12: 부유체 계측기

13a: 고정용 부유체 제1 와이어 13b: 고정용 부유체 제2 와이어

14a: 부유체 제1 동력원 14b: 부유체 제2 동력원

20: 승강장치 21a: 승강장치 제1 와이어

21b: 승강장치 제2 와이어 21c:승강장치 제 3와이어

22a: 승강장치 제1 도르래 22b: 승강장치 제2 도르래

22c: 승강장치 제3 도르래 22d: 승강장치 제 4도르래

23a: 승강장치 제1 동력원 23b: 승강장치 제2 동력원

31, 32: 열교환 대상체 40: 제어부

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부"라는 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.

이하 도면을 참고하여 본 발명에 의한 대기권 열교환 시스템 및 그를 이용한 열교환 방법에 대한 실시 예의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명의 대기권 열교환 시스템이 개략도로 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 대기권 열교환 시스템에서 승강장치를 제외한 나머지 부분이 측면도로 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 대기권 열교환 시스템이 작동 상태도로 도시되어 있다.

이들 도면에 의하면, 본 발명의 대기권 열교환 시스템은 부유체(11), 부유체 계측기(12), 승강장치(20), 열교환 매체를 가용상태로 전환하기 위한 열교환 대상체(31, 32), 제어부(40) 및 부유 높이 조절장치를 포함한다.

여기서, 도 2의 상기 열교환 대상체(31, 32)는 왼쪽과 오른쪽에 각각 일측(31)과 타측(32) 열교환 대상체가 구비되고, 도 2의 상기 승강장치(20)의 와이어는 제1 내지 제3 와이어(21a)(21b)(21c)까지 구비된 복수의 와이어로, 이하에서 편의상 도 2의 일측 열교환 대상체(31)에 구비되는 승강장치 동력원을 승강장치 제1동력원(23a), 타측 열교환 대상체(32)에 구비되는 승강장치 동력원을 승강장치 제2동력원(23b)이라 지칭하기로 한다. 그리고 일측 열교환 대상체(31)와 승강장치 제1동력원(23a) 사이에 구비되는 것을 승강장치 제1 와이어(21a), 일측 열교환 대상체(31)와 타측 열교환 대상체(32) 사이에 구비되는 것을 승강장치 제2 와이어(21b), 타측 열교환 대상체(32)와 승강장치 제2 동력원(23b) 사이에 구비되는 것을 승강장치 제3 와이어(21c)라 지칭하기로 한다. 승강장치(20)의 도르래는 제1 내지 제4 도르래(22a)(22b)(22c)(22d)까지 구비된 복수의 도르래로, 상기 승강장치 제1 와이어(21a)에 구비되는 것을 승강장치 제1 도르래(22a), 승강장치 제2 와이어(21b)에 구비되는 것을 승강장치 제2 도르래(23b)와 제3 도르래(23c), 승강장치 제3 와이어(21c)에 구비되는 것을 승강장치 제4 도르래(23d)라 지칭하기로 한다. 도 2의 상기 부유체(11)의 와이어는 제1 와이어(13a)에서 제2 와이어(13b)까지 구비된 복수의 와이어로, 이하에서 편의상 도 3의 왼쪽에 구비되는 것을 부유체 제1 와이어(13a), 오른쪽에 구비되는 것을 부유체 제2 와이어(13b)라 지칭하기로 한다.

상기 부유체(11)는 내부에 부유기체가 충진되어 대기권 상공에 체류하도록 구비되며, 대기권 상공에 안정적으로 체류하도록 후술할 부유 높이 조절장치를 고정용 부유체 제1 와이어(13a)와 고정용 부유체 제2 와이어(13b)로 연결하여 지상에 고정시킨다. 이때, 상기 부유체(11)에는 지상으로 하강시키기 위하여 제어부(40)의 제어를 통해 내부 기체의 배출 정도를 조절하도록 기체 배출기(도면에 미도시)가 구비된다.

부유체 계측기(12)는 부유체(11)의 하단에 설치되어 대기권 상공의 상태 즉, 대기권 상공의 온도, 바람의 세기 등의 기상 조건을 측정할 수 있으며, 대기측정장치 등이 이에 적용된다.

열교환 대상체(31, 32)는 부유체(11)에 연결되어 상기 부유체(11)의 위치에 의해 지정되는 대기권 상공에서 열을 교환하게 하는 기능을 하며, 후술할 승강장치(20)를 통해 승강한다, 한편, 상기 열교환 대상체(31, 32)는 양측에 1개씩 구비되는 것으로 예시하였으나, 전후좌우 사방에 1개씩 또는 다수개가 구비될 수도 있다.

한편, 도면에는 도시하지 않았지만 상기 열교환 대상체(31, 32)는 내부에 물 등과 같은 열교환 매체가 담기는 용기가 구비되며, 상기 용기는 열전도율이 높은 금속재질 등으로 형성될 수 있다. 이와 다르게 복수의 작은 용기를 와이어를 통해 일렬로 연결하여 열교환 대상체 용기를 구현할 수도 있다. 즉, 작은 용기를 다중으로 와이어에 의해 일렬로 연결하면 열 교환 시간을 줄일 수 있으며, 대기권 상공에서 대기와의 접촉면적을 늘려 열 교환 성능을 향상시킬 수 있는 기술적 이점이 있다.

더욱이, 상기 열교환 대상체(31, 32)는 일측과 타측의 위치가 상반되게 배치되어 어느 하나의 열교환 대상체(31, 32)가 상측(대기권 상공)에 위치하면 다른 하나의 열교환 대상체(31, 32)는 하측(지상)에 위치하게 된다.

또한, 상기 열교환 대상체(31, 32)는 일측의 질량(M1)과 타측의 질량(M2)이 동일하게 구비할 수 있다. 이를 통해 한 번 일측 열교환 대상체(31)를 설정 높이(H)까지 높인 상태에서 상기 일측 열교환 대상체(31)의 질량(M1)과 비슷한 질량(M2)을 타측 열교환 대상체(32)에 갖도록 한 후 상기 일측 열교환 대상체(31)를 내리면 승강장치 제2 와이어(21b)로 연결된 상기 타측 열교환 대상체(32)가 자동으로 올라가므로 상기 일측 열교환 대상체(31)의 질량(M1)과 상기 타측 열교환 대상체(32)의 질량(M2)이 비슷하여 열교환 대상체의 반복적 고도 상승/하강시 에너지 소모가 매우 적게 된다. 즉, 열교환 대상체(31, 32)의 고도 상승/하강시 일측 열교환 대상체(31)나 타측 열교환 대상체(32)가 움직일 수 있는 힘만 가하면 되므로 열교환 대상체의 반복적 고도 상승/하강은 적은 힘으로도 가능하게 된다.

더욱이, 상기 열교환 대상체(31, 32)의 질량(M1, M2)은 미리 제어부(40)에 설정되게 할 수 있으며, 상기 열교환 대상체(31, 32)의 질량(M1, M2)을 측정하는 질량 측정기(도면에 미도시)를 통해 상기 열교환 대상체(31, 32)의 질량(M1, M2)을 측정한 후 측정값을 상기 제어부(40)로 보내어 측정 질량을 파악할 수도 있다.

승강장치(20)는 열교환 대상체(31, 32)를 승강하게 하는 기능을 하며, 승강장치 와이어(21a, 21b, 21c), 승강장치 도르래(22a, 22b, 22c, 22d) 및 승강장치 동력원(23a, 23b)을 포함하여 구성된다.

승강장치 제2, 3 도르래(22b, 22c)는 부유체(11)의 하단에 한 쌍이 평행하게 연결되어 표면에 단일 홈 혹은 다중 홈을 갖도록 하며, 다르게는 단일 홈 혹은 다중 홈이 표면에 형성된 휠(Wheel) 등으로 대체 가능하다. 이때, 상기 승강장치 제2, 3 도르래(22b, 22c)는 부유체 계측기(12)의 하단에 설치되는 것으로 예시한다. 그리고 하측에 배치된 승강장치 제1, 4 도르래(22a, 22d)는 수직 방향으로 위치되는 승강장치 제1, 3 와이어(21a, 21c)의 방향을 승강장치 제1, 2 동력원(23a, 23b) 방향(수평 방향)으로 바꾸기 위해 구비된다.

승강장치 와이어(21a, 21b, 21c)는 승강장치 제2 와이어(21b)가 승강장치 제2, 3 도르래(22b, 22c) 표면에 안착되어 이동 가능하게 연결되면서 열교환 대상체(31, 32)에 연결되며, 승강장치 제1, 3 와이어(21a, 21c)는 승강장치 제1, 2 동력원(23a, 23b)에 연결되며, 설정 강도를 갖는 제품을 사용한다. 이때, 상기 승강장치 와이어(21a, 21b, 21c)는 단일 와이어로 하지 않고 다중으로 열교환 대상체(31, 32)와 연결하면 이보다 더 무거운 대상체를 안전하게 대기권 상공으로 올릴 수 있다.

승강장치 제1, 2 동력원(23a, 23b)은 열교환 대상체(31, 32)가 지상에서 대기권 상공으로, 또는 대기권 상공에서 지상으로 이동할 수 있도록 승강장치 제1, 3 와이어(21a, 21c)를 감고 풀어주는 장치로, 상기 승강장치 제1, 3 와이어(21a, 21c)의 양 끝단에 각각 구비되어 제어부(40)의 제어를 통해 구동축이 회전하면서 상기 승강장치 제1, 3 와이어(21a, 21c)를 감거나 풀어 도중에 연결된 열교환 대상체(31, 32)를 승강시킬 수 있도록 동력을 제공하며, 일예로 구동모터 등이 적용된다.

이때, 어느 하나의 열교환 대상체(31, 32)를 하강시키는 경우 해당 쪽 승강장치 제1, 2 동력원(23a, 23b)만 구동시키고 반대쪽 승강장치 제1, 2 동력원(23a, 23b)은 전원을 인가시키지 않아 구동하지 않게 제어한다.

이와 다르게 양쪽 승강장치 제1, 2 동력원(23a, 23b)을 모두 구동시킬 수도 있다. 즉, 일측 열교환 대상체(31)의 상승시 타측에서 타측 열교환 대상체(32)와 근접하게 위치된 승강장치 동력원(23b)을 작동시켜 승강장치 제3 와이어(21c)를 감게 되면서, 상기 일측 열교환 대상체(31)와 근접한 승강장치 제1 동력원(23a)은 승강장치 제1 와이어(21a)를 풀게 되며, 타측 열교환 대상체(32)의 상승시 일측에서 일측 열교환 대상체(31)와 근접하게 위치된 승강장치 제1 동력원(23a)만을 작동시켜 승강장치 제1 와이어(21a)를 감게 되면서, 상기 타측 열교환 대상체(32)와 근접한 승강장치 제2 동력원(23b)은 승강장치 제3 와이어(21c)를 풀게 된다.

한편, 상기 승강장치 제1, 2 동력원(23a, 23b)은 단일 혹은 다중 구조로 구동모터를 구비할 수 있으며, 다르게는 디젤엔진 등의 연료엔진을 사용할 수 있다.

부유 높이 조절장치는 부유체(11)의 부유 높이가 제어부(40)를 통해 제어되도록 구비되며, 고정용 부유체 와이어(13a, 13b) 및 부유체 동력원(14a, 14b)을 포함하여 구성된다.

고정용 부유체 와이어(13a, 13b)는 부유체(11)의 부유 높이를 제한하도록 상기 부유체(11)와 지면에 설치되는 후술할 부유체 동력원(14a, 14b)을 서로 연결시키며, 양쪽에서 상기 부유체(11)를 지지하는 것으로 예시한다.

부유체 동력원(14a, 14b)은 고정용 부유체 와이어(13a, 13b)의 하단에 각각 구비되어 상기 고정용 부유체 와이어(13a, 13b)를 일률적으로 감거나 풀도록 동력을 제공하며, 제어부(40)의 제어를 통해 구동축이 회전하면서 상기 고정용 부유체 와이어(13a, 13b)를 감거나 풀어 연결된 부유체(11)를 승강시킬 수 있도록 동력을 제공하며, 일예로 구동모터 등이 적용된다.

제어부(40)는 승강장치 제1, 2 동력원(23a, 23b)과, 부유 높이 조절장치의 부유체 동력원(14a, 14b)의 작동을 제어하고, 부유체 계측기(12)에서의 계측 신호를 전달받기 위해 상기 승강장치 제1, 2 동력원(23a, 23b)과 상기 부유체 동력원(14a, 14b) 및 상기 부유체 계측기(12)를 무선 혹은 유선 통신 시스템을 통해 제어하게 된다. 이렇게, 상기 제어부(40)는 해당 열교환 대상체(31, 32)의 상승, 하강 속도를 대기권 상공의 대기 상태에 따라 조절함을 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부(40)는 지상에서의 열교환 대상체(31, 32) 높이와 대기권 상공에서의 체류 시간을 통해 열교환 효율을 제어할 수 있다.

한편, 부유체(11)와, 열교환 대상체(31, 32) 및 고정용 부유체 와이어(13a, 13b)와 승강장치 와이어(21a, 21b, 21c)에는 발광체(도면에 미도시)가 설치되어 지상 위 대기권 상공으로 대상체인 상기 부유체(11)와, 상기 열교환 대상체(31, 32)를 상승시킬 때 비행체 등과의 충돌을 예방할 수 있다.

도 5에는 본 발명의 대기권 온도분포를 이용한 열교환 방법이 블록도로 도시되어 있다.

이 도면에 의하면, 본 발명에 따른 대기권 온도분포를 이용한 열교환 방법은 부유체 부유 단계(S200), 일측 열교환 대상체 내에 열교환 매체 주입 단계(S210), 일측 열교환 대상체의 대기권 상공 상승 단계(S220), 타측 열교환 대상체 내에 열교환 매체 주입 단계(S230), 일측 열교환 대상체의 열교환 단계(S240), 일측 열교환 대상체의 하강 단계(S250), 일측 열교환 대상체 고정 및 열교환 매체 수거 단계(S260), 타측 열교환 대상체의 대기권 상공 상승 단계(S270), 타측 열교환 대상체의 열교환 단계(S280), 타측 열교환 대상체의 하강 단계(S290) 및 타측 열교환 대상체 고정 및 열교환 매체 수거 단계(S300)를 포함한다.

부유체 부유 단계(S200)는 부유체(11) 내에 부유 기체를 주입한 상태에서 제어부(40)의 제어를 통해 부유체 동력원(14a, 14b)을 작동시켜 풀어지는 고정용 부유체 와이어(13s, 13b)에 의해 부유체(11)의 부유 높이가 정해진 대기권 상공 높이까지 상승하는 단계이다.

일측 열교환 대상체 내에 열교환 매체 주입 단계(S210)는 열교환 대상체(31)의 용기 내에 물 등과 같은 열교환 매체를 공급하는 단계이다. 이때, 상기 일측 열교환 대상체 내에 열교환 매체 주입 단계(S210) 수행시 열교환 대상체(31, 32)에 문제가 발생하여 물 등의 열교환 매체가 대기권 상공에서 유출되는 경우 환경적으로 문제를 일으키지 않는 물이기에 환경오염에 대해 친환경적인 특성을 갖고 있다.

일측 열교환 대상체의 대기권 상공 상승 단계(S220)는 부유체(11)의 부유 높이가 설정되면 제어부(40)의 제어를 통해 타측에 배치된 승강장치 제2 동력원(23b)을 작동시켜 승강장치 제3 와이어(21c)를 감게 되면 일측 열교환 대상체(31)가 상승하게 된다. 이때, 승강장치 제2 와이어(21b)가 승강장치 제2, 3 도르래(22b, 22c)를 따라 이동하게 된다.

타측 열교환 대상체 내에 열교환 매체 주입 단계(S230)는 상기 일측 열교환 대상체의 대기권 상공 상승 단계(S220) 수행시 상대적으로 하강하는 타측 열교환 대상체(32)의 용기 내에 물 등과 같은 열교환 매체를 공급하는 단계이다. 이때, 지상에서 열교환 대상체 내에 열교환 매체를 주입할 때 열교환 대상체를 지상구조물(도면에 미도시)에 고정시키고 열교환 매체 주입작업을 수행하게 된다.

일측 열교환 대상체의 열교환 단계(S240)는 일측 열교환 대상체(31)가 승강장치(20)에 의해 대기권 상공까지 상승된 후 용기에 담긴 열교환 매체인 물(액체상태) 등의 열교환 매체가 대기권 상공의 낮은 온도에서 주변 대기와 열을 교환하여 원하는 범위의 온도에서 열이 교환된 물(온도가 낮은 액체상태) 또는 얼음(응고된 고체상태) 등과 같은 열교환 매체가 된다.

일측 열교환 대상체의 하강 단계(S250)는 열이 교환된 물 또는 얼음 등과 같은 열교환 매체가 대기권 상공에 저장되어 있다가 냉방 등이 필요하면 제어부(40)의 제어를 통해 일측에 배치된 승강장치 제1 동력원(23a)을 작동시켜 승강장치 제1 와이어(21a)를 감게 되면서 일측 열교환 대상체(31)가 하강하게 된다.

일측 열교환 대상체 고정 및 열교환 매체 수거 단계(S260)는 지상으로 하강된 일측 열교환 대상체(31)를 지상구조물에 고정시키고 열교환 매체를 수거하는 단계이다.

타측 열교환 대상체의 대기권 상공 상승 단계(S270)는 제어부(40)에 의해 제어되는 승강장치(20)에 의해 일측 열교환 대상체(31)가 하강함과 동시에 타측 열교환 대상체(32)가 상승하는 단계이다.

즉, 상기 타측 열교환 대상체의 대기권 상공 상승 단계(S270)는 한 번 일측 열교환 대상체(31)를 설정 높이(H)까지 높인 상태에서 상기 일측 열교환 대상체(31)의 질량(M1)과 비슷한 질량(M2)을 타측 열교환 대상체(32)에 갖도록 한 후 상기 일측 열교환 대상체(31)를 내리면 상기 타측 열교환 대상체(32)가 올라가므로 상기 일측 열교환 대상체(31)의 질량(M1)과 상기 타측 열교환 대상체(32)의 질량(M2)이 비슷하여 열교환 대상체의 반복적 고도 상승/하강시 열교환 대상체의 질량 차이에 해당하는 에너지가 소비되어 에너지 소모가 매우 적은 기술적 이점을 갖게 된다.

결국, 추가적인 에너지 소모 없이 대기권 상공의 다른 열교환 대상체가 하강하는 것을 방지 가능하고, 특정 열교환 대상체가 하강하고 지상에서 교체된 새 열교환 대상체가 상승하는 것을 추가적인 에너지 소모 없이 지속할 수 있게 된다.

예컨대, 대기권 온도분포를 이용한 열교환 시스템의 에너지 효율성 계산(1회 고도 상승의 경우)은 다음과 같다.

- 에너지 효율성 계산을 위해 1ton의 일측 열교환 대상체(31) 질량(M1)을 기준으로 비교한다.

- 1 ton을 지상 2km 높이까지 1시간에 매우 느린 속도로 올리는 에너지(E1) 및 파워(P1)

- E1 = M1gh = 2×10⁷ J = 5.6 kWh, P1 = 5.6 kW

- 지상 2km의 높이에서 온도는 지표보다 13℃가 낮다(대기과학에서 사용되는 환경감률 -6.5℃/km를 적용).

- 물 1 ton을 온도 13℃ 낮추는데 필요한 에너지(E2)

- E2 = 1.3×10⁷ cal = 5.5×10⁷J = 15.4 kWh

- E1 < E2 이어서 지표에서 대기권 상공으로 올려서 에너지를 교환하는 것이 아래와 같이 더 효율적임을 알 수 있다.

- 효율성 지표 η = E2/E1×100 = 275%, 2.75배

일측 열교환 대상체(31)의 질량(M1)이 정해지면 또 다른 타측 열교환 대상체(32)의 질량(M2)을 상기 일측 열교환 대상체(31)의 질량(M1)과 비슷하게 설정을 해 줄 수 있다.

이것을 통해 한 번 일측 열교환 대상체(31)의 질량(M1)을 설정 높이까지 올려주면 다음부터는 타측 열교환 대상체(32)의 질량(M2)을 설정 높이까지 올리는데 에너지 소모는 열교환 매체의 질량 차이, 저항력, 마찰력으로 생기는 에너지로 한정되어 E1 보다 매우 작음을 알 수 있다.

타측 열교환 대상체(32)의 질량(M2)을 설정 높이(H)까지 높이는데 초기에 일측 열교환 대상체(31)의 질량(M1)을 설정 높이(H)까지 올리는데 필요한 에너지에 추가로 필요한 에너지가 아주 작다.

위의 과정을 몇 번 반복을 하느냐 하는 것은 열교환 대상체를 한 번 올리고 열교환을 수행하는데 걸리는 시간에 의해 결정된다.

예컨대, 일측 열교환 대상체(31)를 한 번 올리고 상기 일측 열교환 대상체(31)와, 타측 열교환 대상체(32)의 하강, 상승을 40번을 반복한다고 하면 효율성 지표 η = E2/E1×40×100 = 11,000 %, 110배로 주어짐을 알 수 있다.

이때, 승강장치 제1, 2 동력원(23a, 23b)은 선택에 따라 출력이 1000 kW까지 주어질 수 있으며, 이를 통해 P1 = 5.6 kW의 경우 매우 쉽게 구현될 수 있다.

타측 열교환 대상체의 열교환 단계(S280)는 타측 열교환 대상체(32)가 승강장치(20)에 의해 대기권 상공까지 상승된 후 용기에 담긴 물과 같은 열교환 매체가 대기권 상공의 낮은 온도에서 주변 대기와 열을 교환하여 원하는 범위의 온도에서 열이 교환된 물 또는 얼음과 같은 열교환 매체가 된다.

타측 열교환 대상체의 하강 단계(S290)는 열이 교환된 물 또는 얼음이 대기권 상공에 저장되어 있다가 냉방 등이 필요하면 제어부(40)의 제어를 통해 승강장치 제2 동력원(23b)을 작동시켜 승강장치 제3 와이어(21c)를 감게 되면서 타측 열교환 대상체(32)가 하강하게 된다.

타측 열교환 대상체 고정 및 열교환 매체 수거 단계(S300)는 지상으로 하강된 타측 열교환 대상체(32)를 지상구조물에 고정시키고 열교환 매체를 수거하는 단계이다.

결론적으로, 본 발명에서는 종래기술과 달리 겨울부터 여름까지 장기간 눈을 보관할 필요가 없고, 겨울철에 자연눈, 인공눈을 만들어야 하는 종래기술과 달리 시간적 제약을 받지 않으며, 이에 온대지방의 혹서기와 날씨가 연중 더운 열대지방에서도 사용할 수 있고, 특히 야간에 온도가 내려갔을 때 열교환 시스템을 가동하면 보다 더 좋은 열교환 효율을 얻을 수 있는 기술적 이점이 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명에 의하면, 간단한 구조를 통해 냉방 등이 필요할 시점에 물 등과 같은 열교환 매체를 일측 용기에 담아 대기권 상공으로 올린 상태에서 대기권 상공의 낮은 온도에서 주변 대기와 열을 교환하여 열이 교환된 물 혹은 얼음 등의 열교환 매체를 지상으로 운반하는데 유사한 혹은 동일한 질량의 열교환 매체를 타측 용기에 담아 상승하게 하는 방식을 채택, 적용하므로 열교환매체의 운반에 드는 에너지의 소비효율을 높이는 것은 물론, 관리 및 유지비용을 줄이는 기술적 효과를 얻는다. 또한, 본 발명에 의하면, 지상에서 부유체를 지주타워 없이 와이어에 의해 지지하게 하므로 승강장치를 지지하는 지주타워의 설치가 필요 없고, 지주타워가 없기에 열교환 높이를 자유롭게 조절하고 지주타워 방식보다 시공이 수월해지는 등의 기술적 효과까지도 기대할 수 있다.

Claims

대기권 상공에 체류하도록 구비되는 부유체;

상기 부유체에 연결되어 대기권 상공에서 열을 교환하게 하는 복수의 열교환 대상체;

상기 열교환 대상체를 승강하게 하는 승강장치; 및

상기 승강장치의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 대기권 열교환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 부유체에는 내부 기체의 배출 정도를 조절하도록 기체 배출기가 구비되는 대기권 열교환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 부유체의 부유 높이가 상기 제어부를 통해 제어되도록 부유 높이 조절장치가 구비되는 대기권 열교환 시스템.
제3항에 있어서, 상기 부유 높이 조절장치는,

상기 부유체의 부유 높이를 제한하도록 연결되는 고정용 부유체 와이어; 및

상기 고정용 부유체 와이어의 끝단에 구비되어 상기 고정용 부유체 와이어를 감거나 풀도록 동력을 제공하는 부유체 동력원을 포함하는 대기권 열교환 시스템.
제1항에 있어서, 상기 승강장치는

상기 부유체에 이동 가능하게 연결되는 와이어; 및

상기 와이어의 양 끝단에 구비되어 상기 제어부의 제어를 통해 상기 와이어를 감거나 풀어 도중에 연결된 상기 열교환 대상체를 승강시킬 수 있도록 동력을 제공하는 동력원을 포함하는 대기권 열교환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 열교환 대상체는 일측과 타측의 위치가 상반되게 배치되는 대기권 열교환 시스템.
제6항에 있어서,

상기 열교환 대상체는 일측과 타측의 질량이 유사 또는 동일한 대기권 열교환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 열교환 대상체는 내부에 열교환 매체가 담기는 용기가 구비되며, 대기권 상공의 낮은 온도에서 주변 대기와 열을 교환하게 하는 대기권 열교환 시스템.
제8항에 있어서,

상기 열교환 대상체의 용기는 열전도율이 높은 금속재질로 형성되는 대기권 열교환 시스템.
제8항에 있어서,

상기 용기는 복수의 작은 용기를 와이어에 일렬로 연결하는 대기권 열교환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 지상에서의 상기 열교환 대상체 높이와 대기권 상공에서의 체류 시간을 통해 열교환 효율을 제어하는 대기권 열교환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 부유체에 연결되어 대기권 상공의 상태를 계측하는 계측기를 더 포함하는 대기권 열교환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 부유체와 상기 열교환 대상체 및 상기 부유 높이 조절장치의 고정용 부유체 와이어와, 상기 승강장치의 와이어에 발광체가 설치되는 대기권 온도분포를 이용한 열교환 시스템.
부유체를 부유시키는 단계;

상기 부유체를 부유시킨 후 일측 열교환 대상체 내에 열교환 매체를 주입하는 단계;

상기 열교환 매체를 주입한 상기 일측 열교환 대상체를 대기권 상공으로 상승하는 단계;

상기 일측 열교환 대상체가 상승함에 따라 하강된 타측 열교환 대상체 내에 열교환 매체를 주입하는 단계;

상기 일측 열교환 대상체의 열을 대기권 상공의 낮은 온도에서 주변 대기와 열을 교환하는 단계;

상기 열이 교환된 열교환 매체를 수거하기 위해 상기 일측 열교환 대상체를 하강시키는 단계: 및

지상으로 하강된 상기 일측 열교환 대상체를 지상구조물에 고정시키고 열교환 매체를 수거하는 단계를 포함하는 대기권 열교환 시스템을 이용한 열교환 방법.
제14항에 있어서,

상기 일측 열교환 대상체가 하강함에 따라 상기 타측 열교환 대상체가 대기권 상공으로 상승하는 단계;

상기 타측 열교환 대상체의 열을 대기권 상공의 낮은 온도에서 주변 대기와 열을 교환하는 단계;

상기 열이 교환된 열교환 매체를 수거하기 위해 상기 타측 열교환 대상체를 하강시키는 단계: 및

상기 지상으로 하강된 타측 열교환 대상체를 지상구조물에 고정시키고 열교환 매체를 수거하는 단계가 더 수행되는 대기권 열교환 시스템을 이용한 열교환 방법.