WO2023195667A1 - 히트파이프 일체형 반응기 - Google Patents

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WO2023195667A1
WO2023195667A1 PCT/KR2023/003845 KR2023003845W WO2023195667A1 WO 2023195667 A1 WO2023195667 A1 WO 2023195667A1 KR 2023003845 W KR2023003845 W KR 2023003845W WO 2023195667 A1 WO2023195667 A1 WO 2023195667A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat pipe
base
integrated reactor
heat
fins
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/003845
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김진섭
김우경
윤석호
Original Assignee
한국기계연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국기계연구원 filed Critical 한국기계연구원
Publication of WO2023195667A1 publication Critical patent/WO2023195667A1/ko

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B17/00—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type
    • F25B17/08—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type the absorbent or adsorbent being a solid, e.g. salt
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/04—Heat pumps of the sorption type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B37/00—Absorbers; Adsorbers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
    • Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies

Definitions

  • the present invention relates to a heat pipe-integrated reactor capable of uniformly controlling the temperature of the adsorbent located between heat pipe fins.
  • Adsorption is a phenomenon in which when two phases, such as solid-liquid, solid-gas, gas-liquid, or liquid-liquid, come into contact, specific components of the gas or liquid that make up the phase are concentrated at the interface. , and desorption is the opposite phenomenon. When this adsorption reaction occurs, heat transfer occurs, and an adsorption heat pump using this is used.
  • An adsorption heat pump seeks to actively utilize heat transfer in the form of heat of adsorption during adsorption.
  • An adsorption heat pump is a heat engine using adsorbents and adsorbents, and is attracting attention from the viewpoint of non-freonization and waste heat utilization, and can be driven by a low-temperature heat source.
  • the basic cycle of an adsorption heat pump consists of an adsorbent containing an adsorbent, a condenser, an evaporator, and an expansion valve. It operates by circulating the adsorbate between the adsorbent, the condenser, and the evaporator.
  • the adsorption phenomenon plays the same role as mechanical power, and the operating fluid can circulate in the cycle without mechanical power.
  • the heat transfer and mass transfer area can be expanded by attaching a plate-shaped fin made of metal with high thermal conductivity around the tube through which the heat transfer fluid flows. .
  • the purpose of the present invention is to provide a heat pipe-integrated reactor that can uniformly control the temperature of the adsorbent located between the heat pipe fins by forming a plurality of heat pipe fins coupled to the heat exchange channel. .
  • a heat pipe-integrated reactor includes a base through which a heat transfer fluid flows, heat pipe fins coupled to the base through which the first working fluid flows, and an adsorbent disposed between the heat pipe fins.
  • Each of the heat pipe fins includes a heat pipe frame, an internal hollow through which the first working fluid flows, and at least one or more heat pipe fins formed inside the heat pipe frame, coupled to the internal hollow, and supporting the internal hollow. It may include an internal support.
  • the heat pipe fins may be spaced apart at equal intervals on the outer surface of the base.
  • the internal cavity may be maintained in a vacuum state.
  • each of the heat pipe fins may further include a wick formed on an outer wall of the inner hollow, through which the condensed first working fluid moves.
  • the wick may have a groove or porous shape.
  • each of the heat pipe fins may be detachably coupled to the base.
  • the base further includes a coupling groove for coupling with the heat pipe fin
  • the heat pipe fin may further include a coupling protrusion slidingly coupled to the coupling groove
  • the cross-section of the base may be square, circular, or oval.
  • the base may include a base frame and a channel formed inside the base frame through which the heat transfer fluid flows.
  • the base is located inside the base frame and may further include a base heat pipe through which a second working fluid flows.
  • the channel may have a rectangular cross-section and extend as one along the base frame.
  • At least one of the base heat pipes may extend parallel to the extension direction of the channel.
  • the channel extends in a direction parallel to the extension direction of each of the heat pipe fins, and a plurality of channels may be formed to be spaced apart from each other at a predetermined interval.
  • the base heat pipe extends parallel to the channels between the plurality of channels, and may be formed in plural numbers.
  • the base heat pipe is formed inside the base frame, a base inner hollow through which the second working fluid flows, a base inner support coupled to the base inner hollow and supporting the base inner hollow, and It may be formed on an outer wall of the hollow interior of the base and may include a base wick through which the condensed second working fluid moves.
  • the base wick may have a grooved or porous shape.
  • the heat pipe-integrated reactor forms a plurality of heat pipe fins coupled to a heat exchange channel, and can uniformly control the temperature of the adsorbent located between the heat pipe fins.
  • FIGS. 1A and 1B are diagrams showing the schematic configuration of an adsorption heat pump to which a heat pipe-integrated reactor is applied according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view of the heat pipe integrated reactor of Figures 1A and 1B.
  • Figure 3 is a cross-sectional view taken along line A-A' of Figure 2.
  • Figure 4 is a cross-sectional view taken along line B-B' in Figure 2.
  • FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views showing examples of the heat pipe fins of FIG. 2.
  • Figure 6 is a perspective view of a heat pipe integrated reactor according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a cross-sectional view of a heat pipe integrated reactor according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a cross-sectional view of a heat pipe integrated reactor according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a cross-sectional view of a heat pipe integrated reactor according to another embodiment of the present invention.
  • Base 320 Heat pipe fin
  • FIGS. 1A and 1B are diagrams showing the schematic configuration of an adsorption heat pump to which a heat pipe-integrated reactor is applied according to an embodiment of the present invention.
  • the adsorption heat pump 10 may include a condenser 100, an adsorber 200, a heat pipe-integrated reactor 300, and an evaporator 400.
  • Figure 1a shows the movement of heat generated during desorption
  • Figure 1b shows the movement of heat generated during adsorption.
  • the adsorbent evaporated in the evaporator 400 moves to the adsorber 200, and an adsorption reaction may occur in the adsorbent of the heat pipe-integrated reactor 300.
  • the evaporator 400 can absorb heat from the outside. Since the adsorption reaction is an exothermic reaction, the adsorber 200 can release heat to the outside.
  • FIG. 2 is a perspective view of the heat pipe integrated reactor of Figures 1A and 1B.
  • Figure 3 is a cross-sectional view taken along line A-A' of Figure 2.
  • Figure 4 is a cross-sectional view taken along line B-B' in Figure 2.
  • FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views showing examples of the heat pipe fins of FIG. 2.
  • the heat pipe integrated reactor 300 may include a base 310 and a heat pipe fin 320. That is, the heat pipe integrated reactor 300 may include a base 310 through which a heat transfer fluid (H) for heat exchange flows, and a plurality of heat pipe fins 320 protruding from the base 310.
  • H heat transfer fluid
  • the heat pipe fin 320 has fast heat transfer due to the flow of the first working fluid W1, heat transfer can be achieved faster than that of the existing metal plate-shaped fin. Accordingly, since heat is uniformly transferred to the adsorbent (S) disposed outside the heat pipe fin 320, the temperature of the adsorbent (S) can be uniformly controlled. In addition, since the internal hollow 323 is formed inside the heat pipe fin 320, the thermal mass is reduced and the temperature changes quickly, thereby reducing the temperature gradient.
  • Base 310 may include a base frame 311 and a channel 312.
  • the base 310 may have a heat transfer fluid (H) flow therein and transfer the heat of the heat transfer fluid (H) to a heat pipe fin 320, which will be described later.
  • the base 310 may have a box shape inside which a channel 312 through which the heat transfer fluid (H) can flow is formed.
  • the base 310 must maintain its shape despite the pressure difference inside the heat pipe integrated reactor 300 and the pressure difference inside the channel 312, and may have a sufficient outer wall thickness.
  • the base frame 311 may serve as an outer wall surrounding a channel 312, which will be described later. That is, a channel 312 is formed as an internal space by the base frame 311.
  • the base frame 311 is hollow on the inside and may have a tube shape extending long in one direction.
  • the cross-section of the base frame 311 may be square, but depending on the user's needs, it may also have a circular, oval, or polygonal shape.
  • the base frame 311 may have a constant thickness to uniformly transfer the heat of the heat transfer fluid (H) to the outer surface.
  • the base frame 311 must be able to transfer the heat of the heat transfer fluid (H) flowing inside the channel 312 to the heat pipe fin 320, which will be described later, and may be made of a material with high thermal conductivity.
  • the base frame 311 must maintain its shape despite the pressure difference inside the heat pipe integrated reactor 300 and the pressure difference inside the channel 312, and may be made of a material with sufficient rigidity.
  • the base frame 311 is made of materials such as aluminum, copper, carbon steel, stainless steel, inconel, titanium, and alloy. It can be produced with However, the shape and material of the base frame 311 are not limited to this and may be changed within the range that can be adopted by those skilled in the art.
  • the channel 312 is formed inside the base frame 311 and may serve as a passage through which the heat transfer fluid (H) flows. Channel 312 must have a sufficient diameter to allow the heat transfer fluid (H) to flow smoothly.
  • the channel 312 may be formed at a certain distance from the outer peripheral surface of the base frame 311.
  • the heat pipe fin 320 may include a heat pipe frame 321, an internal hollow 323, an internal support 324, and a wick 325.
  • the heat pipe fin 320 is coupled to the base 310 so that the first working fluid W1 can flow therein.
  • the heat pipe fin 320 can efficiently transfer the heat of the heat transfer fluid (H) inside the base 310 to the adsorbent (S) outside the heat pipe fin 320.
  • the heat pipe fin 320 has a lower thermal mass compared to existing metal fins, so heat transfer performance can be improved.
  • the heat pipe fin 320 is empty inside and some of the empty space is filled with the first working fluid (W1), so it has a lower density compared to existing metal fins and can reduce the overall weight of the heat pipe integrated reactor 300. You can.
  • a plurality of heat pipe fins 320 may be spaced apart from each other at equal intervals on the outer surface of the base 310. Since the heat pipe fins 320 that transfer heat are spaced apart at equal intervals, the temperature of the adsorbent S located outside the heat pipe fins 320 can be uniformly controlled. That is, as the distance from the heat pipe fins 320 increases, there is a difference in the heat transferred to the adsorbent S. This difference can be minimized by arranging the heat pipe fins 320 at equal intervals.
  • the heat pipe frame 321 may serve as an outer wall surrounding the internal hollow 323, which will be described later.
  • the heat pipe frame 321 may be hollow on the inside and may have a box shape extending long in one direction.
  • the cross section of the heat pipe frame 321 may be square.
  • the heat pipe frame 321 may have a constant thickness to uniformly transfer the heat of the first working fluid W1 to the outer peripheral surface.
  • the heat pipe frame 321 can allow the first working fluid W1 to flow in isolation within the heat pipe frame 321. That is, the internal hollow 323 of the heat pipe frame 321, which will be described later, allows heat exchange with the outside but blocks material exchange, forming a closed system.
  • the heat pipe frame 321 must be able to transfer the heat of the heat transfer fluid (H) flowing inside the channel 312 to the adsorbent (S), and may be made of a material with high thermal conductivity.
  • the heat pipe frame 321 must maintain its shape despite the pressure difference between the pressure inside the heat pipe integrated reactor 300 and the pressure inside the internal cavity 323, and may be made of a material with sufficient rigidity.
  • the heat pipe frame 321 is made of aluminum, copper, carbon steel, stainless steel, inconel, titanium, and alloy. It can be made of any material. However, the shape and material of the heat pipe frame 321 are not limited to this and may be changed within the range that can be adopted by those skilled in the art.
  • the internal hollow 323 is formed as an empty space inside the heat pipe frame 321 to allow the first working fluid W1 to flow. 10 to 15% of the internal hollow 323 may be filled with the first working fluid W1.
  • the inner hollow 323 can be divided into an evaporation zone (E), an insulating zone (I), and a condensation zone (C) (see FIG. 4).
  • the first working fluid W1 may absorb heat and evaporate into a gaseous state.
  • This gaseous first working fluid (W1) can move to the condensation zone (C) through the insulation zone (I) due to the difference in pressure between the evaporation zone (E) and the condensation zone (C).
  • the gaseous first working fluid W1 may condense into a liquid state while losing heat. The above process is repeated so that heat can move from the evaporation zone (E) to the condensation zone (C).
  • the internal hollow 323 can maintain a vacuum state without material exchange with the outside.
  • the internal hollow 323 maintains a vacuum state, so the first working fluid W1 can easily evaporate even at low temperatures.
  • the first working fluid W1 that fills a portion of the internal hollow 323 may be a fluid in which a phase change between liquid and gas can occur at the temperature and pressure of the internal hollow 323.
  • water, ethanol, methanol, acetone, ammonia, and freon-based refrigerants can be used.
  • the internal support 324 may be coupled to the internal hollow 323 and support the internal hollow 323.
  • the internal support 324 serves to support the internal hollow 323 to maintain its shape despite the pressure difference with the vacuum internal hollow 323 when high-pressure gas enters the outside of the heat pipe fin 320. You can.
  • the internal support 324 may be in the shape of a pillar or a partition wall connecting one side and the other surface of the outer surface of the internal hollow 323. At least one internal support 324 may be formed to provide sufficient support. A plurality of internal supports 324 may be spaced apart at regular intervals for equal distribution of stress.
  • the internal support 324 may be made of a material such as steel or stainless steel with sufficient rigidity to support the internal hollow 323.
  • the shape and material of the internal support 324 are not limited to this, and various shapes and materials that can provide sufficient support to the internal hollow 323 may be possible.
  • a plurality of internal supports 324 are formed, and each may include a pedestal 324a and a support pillar 324b.
  • the support pillar 324b may be in the shape of a pillar or wall connecting one side and the other side of the outer surface of the inner hollow 323.
  • the support pillar 324b can support the internal hollow 323 to maintain its shape even under high pressure.
  • the shape of the support pillar 324b is not limited to this and may have various shapes.
  • the pedestal 324a is coupled to the end of the support pillar 324b and can distribute stress at the joint area between the internal hollow 323 and the support pillar 324b.
  • the cross-sectional area of the pedestal 324a may increase as it approaches the outer surface of the inner hollow 323 at the junction between the outer surface of the inner hollow 323 and the support pillar 324b.
  • the shape of the pedestal 324a is not limited to this, and any shape capable of distributing stress at the joint area between the outer surface of the inner hollow 323 and the support pillar 324b may be possible.
  • the wick 325 is formed on the outer wall of the inner hollow 323, and the condensed first working fluid W1 can move.
  • the wick 325 may allow the condensed first working fluid W1 to move from the condensation area C to the evaporation area E by capillary pressure (see FIG. 4).
  • the wick 325 may have a groove or porous shape (see FIGS. 5A and 5B).
  • the wick 325 may also have various shapes, such as a powder shape obtained by sintering metal powder (not shown) and a mesh shape (not shown).
  • Figure 6 is a perspective view of a heat pipe integrated reactor according to another embodiment of the present invention.
  • the heat pipe integrated reactor 301 has the same structure as the heat pipe integrated reactor 300 described with reference to FIG. 2 except for the coupling groove 313 and the coupling protrusion 322, and therefore has the same configuration.
  • the same reference number is used and overlapping descriptions are omitted.
  • the base 310 may further include a coupling groove 313.
  • the coupling groove 313 may be in the shape of a groove formed on the outer peripheral surface of the base frame 311 at regular intervals.
  • the coupling groove 313 may be fitted with a coupling protrusion 322, which will be described later, so that the heat pipe fin 320 can be attached and detached from the base 310.
  • the coupling groove 313 may be a groove of a shape corresponding to the coupling protrusion 322 of the heat pipe fin 320, which will be described later.
  • the coupling groove 313 may be a groove extending long along one direction in which the base frame 311 extends.
  • the heat pipe fin 320 may further include a coupling protrusion 322.
  • the coupling protrusion 322 may protrude from one end of the heat pipe fin 320 to allow the heat pipe fin 320 to be coupled to the base 310.
  • the coupling protrusion 322 may protrude in a shape corresponding to the coupling groove 313 and be fitted into the coupling groove 313.
  • the coupling protrusion 322 can be coupled to or disengaged from the coupling groove 313 according to the user's needs, allowing the heat pipe pin 320 to be attached or detached from the base 310.
  • the heat pipe fin 320 slides in such a way that the coupling protrusion 322 is inserted into the coupling groove 313 and can be fixed on the base 310 or removed from the base 310.
  • the number and spacing of the heat pipe fins 320 coupled to the base 310 can be adjusted as necessary according to the free coupling and disengagement of the coupling protrusion 322 and the coupling groove 313. If the number of heat pipe fins 320 coupled to the base 310 is too large, the volume of adsorbent (S) that can be filled in the same space may decrease, thereby reducing reaction efficiency.
  • S adsorbent
  • the gap between the heat pipe fins 320 widens, and the temperature gradient of the adsorbent (S) increases depending on the distance to the heat pipe fins 320. It can be big. In addition, the heat of the heat pipe fin 320 is not sufficiently transferred to the adsorbent (S), thereby lowering heat transfer efficiency and thus reducing reaction efficiency.
  • the adsorbent (S) to be located inside the heat pipe integrated reactor 300, and the number of heat pipe fins 320 is appropriately adjusted so that the gap between the heat pipe fins 320 is not excessively large. Reaction efficiency can be increased.
  • the heat pipe fin 320 which is detachable from the base 310, can be used to optimize the reaction efficiency of the heat pipe integrated reactor 300.
  • Figure 7 is a cross-sectional view of a heat pipe integrated reactor according to another embodiment of the present invention.
  • the heat pipe integrated reactor 302 has the same structure as the heat pipe integrated reactor 301 described with reference to FIG. 6 except for the base heat pipe 314, so the same reference numerals refer to the same configuration. Use and omit redundant explanations.
  • the base 310 may further include a base heat pipe 314.
  • the base heat pipe 314 may include a base internal hollow 314a, a base internal support 314b, and a base wick 314c.
  • the base heat pipe 314 is located inside the base frame 311, and the second working fluid W2 may flow therein.
  • the base heat pipe 314 has the same structure as the heat pipe fin 320 and allows the second working fluid W2 to flow.
  • the base heat pipe 314 can transfer heat faster than the existing base frame 311.
  • the internal hollow 323 is formed inside the base heat pipe 314, the thermal mass is reduced and the temperature changes quickly, thereby reducing the overall temperature gradient of the base 310.
  • At least one base heat pipe 314 may be disposed at a certain distance from the channel 312.
  • the base heat pipe 314 may be disposed at regular intervals on both sides of the channel 312. Since the base heat pipe 314 is arranged in this way, the temperature gradient throughout the base 310 can be reduced. In particular, the temperature gradient in the direction in which the base 310 extends can be reduced.
  • the base internal hollow 314a is formed as an empty space inside the base frame 311 through which the second working fluid W2 can flow. 10 to 15% of the base inner hollow 314a may be filled with the second working fluid W2.
  • the base inner hollow 314a can also be divided into an evaporation zone (E), an insulation zone (I), and a condensation zone (C) (see FIG. 4).
  • the base internal hollow 314a also allows the second working fluid W2 to absorb heat and evaporate into a gaseous state in the evaporation area E.
  • This gaseous second working fluid (W2) can move to the condensation zone (C) through the insulation zone (I) due to the difference in pressure between the evaporation zone (E) and the condensation zone (C).
  • the gaseous second working fluid W2 may condense into a liquid state while losing heat. The above process is repeated so that heat can move from the evaporation zone (E) to the condensation zone (C).
  • the hollow inside the base 314a can maintain a vacuum state without material exchange with the outside. Since the hollow inside the base 314a maintains a vacuum state, the second working fluid W2 can easily evaporate even at low temperatures.
  • the second working fluid W2 that fills a portion of the base inner cavity 314a may be a fluid in which a phase change between liquid and gas can occur at the temperature and pressure of the base inner hollow 314a.
  • a fluid in which a phase change between liquid and gas can occur at the temperature and pressure of the base inner hollow 314a For example, water, ethanol, methanol, acetone, ammonia, and freon-based refrigerants can be used.
  • the base inner supporter 314b may be coupled to the base inner hollow 314a and support the base inner hollow 314a.
  • the base internal support 314b serves to support the base internal hollow 314a to maintain its shape despite the pressure difference with the vacuum base internal hollow 314a when high-pressure gas enters the outside of the base 310. You can.
  • the base internal support 314b may be made of a material such as steel or stainless steel with sufficient rigidity to sufficiently support the base internal hollow 314a.
  • the shape and material of the base internal support 314b are not limited to this, and various shapes and materials that can provide sufficient support to the base internal hollow 314a may be possible.
  • the base wick 314c is formed on the outer wall of the base inner hollow 314a and can allow the condensed second working fluid W2 to move.
  • the base wick 314c may cause the condensed second working fluid W2 to move by capillary pressure.
  • the base wick 314c may have a groove or porous shape.
  • the base wick 314c may also have various shapes, such as a powder shape obtained by sintering metal powder and a mesh shape.
  • Figure 8 is a cross-sectional view of a heat pipe integrated reactor according to another embodiment of the present invention.
  • the heat pipe integrated reactor 303 is the heat pipe integrated reactor 302 described with reference to FIG. 7, except for the number and arrangement of the channels 312 and base heat pipes 314 of the base 310. ), so the same reference numbers are used for the same components and overlapping descriptions are omitted.
  • At least one channel may be disposed inside the base 310.
  • the cross-sectional area of the channel 312 becomes too large, so the heat transfer fluid (H) may not flow smoothly or the heat of the heat transfer fluid (H) may not be transferred uniformly throughout the channel 312.
  • the above problem can be solved because a plurality of channels are arranged inside the base 310.
  • the channel 312 is formed as one length along the longitudinal extension direction of the base frame 311 (vertical direction in the drawing). That is, the channel 312 extends in a direction perpendicular to the direction in which the heat pipe fin 320 extends.
  • the channels 312 are formed in a direction parallel to the direction in which the heat pipe fins 320 extend from the base frame 311 (horizontal direction in the drawing), and a plurality of channels 312 are parallel to each other in the vertical direction. It is formed to be spaced apart.
  • At least one base heat pipe 314 may be disposed in a plurality of channels 312 inside the base 310 at equal intervals. Since the base heat pipe 314 is arranged in this way, heat transfer between the plurality of base heat pipes 314 can be performed efficiently to form a uniform temperature gradient throughout the channel 312 and the base heat pipe 314.
  • Figure 9 is a cross-sectional view of a heat pipe integrated reactor according to another embodiment of the present invention.
  • the heat pipe integrated reactor 304 is the heat pipe integrated reactor 302 described with reference to FIG. 7 except for the shape of the base frame 311, the channel 312, and the base heat pipe 314. Since it has the same structure as , the same reference numbers are used for the same components and overlapping descriptions are omitted.
  • the base frame 311 may have a circular or oval cross-section. Accordingly, the channel 312 and the base heat pipe 314 located inside the base frame 311 may also have a circular or oval cross section.
  • the cross-sectional shape of the base frame 311 observed from the top is shown as a circle; however, the base frame 311 may have an overall cylindrical shape, and the channel 312 inside has a cylindrical shape. It may be a hollow shape formed in . Of course, if the base frame 311 has an oval cross-section, it is obvious that it can have an overall distorted cylindrical shape.
  • the base frame 311 has a cylindrical shape, heat transfer to the heat pipe fin 320 can be efficiently performed even with a single base heat pipe 314 surrounding the circumference of the channel 312.
  • the base heat pipe 314 is formed, but as in the embodiment of FIG. 3, the base heat pipe 314 is omitted and only the channel 312 is formed inside the base frame 311. It could be.
  • the heat pipe frame 321 is formed by being coupled to the outer peripheral surface of the base frame 311 to be arranged in a concentric circle shape. That is, the heat pipe frame 321 may be arranged to be spaced apart at regular intervals so as to extend in a direction toward the center of the base frame 311.

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Abstract

히트파이프 일체형 반응기는 내부에 열전달 유체가 흐르는 베이스, 상기 베이스에 결합되어, 내부에 제1 작동 유체가 유동하는 히트파이프 핀들, 및 상기 히트파이프 핀 사이에 배치된 흡착제를 포함하며, 상기 히트파이프 핀들은, 히트파이프 프레임, 상기 히트파이프 프레임 내부에 형성되어, 상기 제1 작동 유체가 유동하는 내부 중공, 및 상기 내부 중공에 결합되어, 상기 내부 중공을 지지하는 적어도 하나 이상의 내부 지지체를 포함할 수 있다.

Description

히트파이프 일체형 반응기
본 발명은 히트파이프 핀 사이에 위치한 흡착제의 온도 제어를 균일하게 할 수 있는 히트파이프 일체형 반응기에 관한 것이다.
흡착은 고체-액체, 고체-기체, 기체- 액체, 액체-액체와 같이 2개의 상(phase)이 접할 때, 그 상을 구성하고 있는 성분물질인 기체 혹은 액체의 특정성분이 경계면에 농축되는 현상이며, 탈착은 그 반대의 현상이다. 이러한 흡착반응이 일어날 경우 열 이동이 발생하는데 이를 이용한 흡착식 히트펌프가 이용되고 있다.
즉, 흡착할 때에는 발열이, 탈착할 때에는 흡열이 동반되는 바, 흡착 시 흡착열 형태로의 열 이동을 적극적으로 이용하고자 하는 것이 흡착식 히트펌프이다. 흡착식 히트펌프는 흡착제와 흡착질을 이용한 열기관으로 비프레온화와 폐열 이용이라는 관점에서 주목받고 있으며 저온 열원으로 구동할 수 있다.
흡착식 히트 펌프의 기본적인 사이클은 흡착제(adsorbent)가 들어있는 흡착기, 응축기, 증발기 및 팽창밸브로 구성되어 있고, 흡착제, 응축기 및 증발기 사이를 흡착질(adsorbate)이 순환하면서 작동한다. 흡착식 히트 펌프에서 흡착현상은 기계적 동력의 역할과 같으며, 동작 유체는 기계적 동력 없이 사이클에서 순환할 수 있다.
흡착식 히트 펌프에 사용되는 핀-튜브(Fin-tube) 반응기에서는 열전달 유체(Heat transfer fluid)가 흐르는 튜브 주변에 열전도율이 높은 금속으로 이루어진 판 형태의 핀을 부착하여 열전달 및 물질전달 면적을 넓힐 수 있다.
다만, 기존의 핀-튜브 반응기의 경우, 핀이 넓은 평판 형상으로 이루어진 바, 튜브에서 멀어짐에 따라 핀 주위의 흡착제의 온도 차가 커져 흡착제의 반응이 균일하게 이루어지지 않는다는 문제가 있다. 또한, 핀의 열 질량(Thermal mass)이 크므로 흡착과 탈착 시 발생하는 온도 변화를 빠르게 전달하지 못한다는 문제가 있다.
관련 선행기술문헌으로는, 대한민국 등록특허공보 제10-0709060호 및 대한민국 등록특허공보 제10-2155062호가 있다.
상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 열교환 채널에 결합된 복수의 히트파이프 핀을 형성하여, 히트파이프 핀 사이에 위치한 흡착제의 온도 제어를 균일하게 할 수 있는 히트파이프 일체형 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 히트파이프 일체형 반응기는, 내부에 열전달 유체가 흐르는 베이스, 상기 베이스에 결합되어, 내부에 제1 작동 유체가 유동하는 히트파이프 핀들, 및 상기 히트파이프 핀들 사이에 배치된 흡착제를 포함하며, 상기 히트파이프 핀들 각각은 히트파이프 프레임, 상기 히트파이프 프레임 내부에 형성되어, 상기 제1 작동 유체가 유동하는 내부 중공 및 상기 내부 중공에 결합되어, 상기 내부 중공을 지지하는 적어도 하나 이상의 내부 지지체를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 히트파이프 핀들은, 상기 베이스의 외곽면에 동일한 간격으로 이격 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 내부 중공은 진공 상태를 유지할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 히트파이프 핀들 각각은, 상기 내부 중공의 외벽에 형성되고, 응축된 상기 제1 작동 유체가 이동하는 윅을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 윅은 홈 또는 다공질 형상일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 히트파이프 핀들 각각은 상기 베이스에 탈착 가능하게 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스는 상기 히트파이프 핀과의 결합을 위한 결합홈을 더 포함하고, 상기 히트파이프 핀은 상기 결합홈에 슬라이딩 결합되는 결합돌기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스의 단면은 사각형, 원형 또는 타원형일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스는 베이스 프레임, 및 상기 베이스 프레임 내부에 형성되어, 상기 열전달 유체가 흐르는 통로인 채널을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스는, 상기 베이스 프레임 내부에 위치하고, 내부에 제2 작동 유체가 유동하는 베이스 히트파이프를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 채널은, 상기 베이스 프레임을 따라 장방형의 단면을 가지며 하나로 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 히트파이프는, 적어도 하나가 상기 채널의 연장 방향과 평행하게 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 채널은, 상기 히트파이프 핀들 각각의 연장 방향에 평행한 방향으로 연장되며, 복수개가 소정의 간격으로 서로 이격되어 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 히트파이프는, 상기 복수의 채널들 사이에 상기 채널과 평행하게 연장되며, 복수개가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 히트파이프는, 상기 베이스 프레임 내부에 형성되어, 상기 제2 작동 유체가 유동하는 베이스 내부 중공, 상기 베이스 내부 중공에 결합되어, 상기 베이스 내부 중공을 지지하는 베이스 내부 지지체 및 상기 베이스 내부 중공의 외벽에 형성되고, 응축된 상기 제2 작동 유체가 이동하는 베이스 윅을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 윅은 홈 또는 다공질 형상일 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 히트파이프 일체형 반응기는 열교환 채널에 결합된 복수의 히트파이프 핀을 형성하여, 히트파이프 핀 사이에 위치한 흡착제의 온도 제어를 균일하게 할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기가 적용된 흡착식 히트펌프의 개략적인 구성을 나타낸 도면들이다.
도 2는 도 1a 및 도 1b의 히트파이프 일체형 반응기의 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A'를 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 도 2의 B-B'를 따라 절단한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2의 히트파이프 핀의 예들을 도시한 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기의 단면도이다.
<부호의 설명>
10 : 흡착식 히트펌프 100 : 응축기
200 : 흡착기
300, 301, 302, 303, 304 : 히트파이프 일체형 반응기
310 : 베이스 320 : 히트파이프 핀
400 : 증발기 S : 흡착제
H : 열전달 유체 W1 : 제1 작동 유체
W2 : 제2 작동 유체
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하, 본 발명의 히트파이프 일체형 반응기(300)가 적용된 흡착식 히트펌프(10)에 대해 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기가 적용된 흡착식 히트펌프의 개략적인 구성을 나타낸 도면들이다.
상기 흡착식 히트펌프(10)는 응축기(100), 흡착기(200), 히트파이프 일체형 반응기(300) 및 증발기(400)를 포함할 수 있다. 도 1a는 탈착 시 발생하는 열의 이동을 나타내고 도 1b는 흡착 시 발생하는 열의 이동을 나타낼 수 있다.
도 1a를 참조하면, 흡착기(200)의 히트파이프 일체형 반응기(300)의 흡착제(adsorbent)에서 탈착 반응이 일어나는 경우, 탈착 반응이 흡열반응이므로 외부로부터 열을 흡수한다. 흡착제로부터 탈착된 흡착질(adsorbent)은 응축기(100)로 이동하여 응축될 수 있다. 이때 응축반응은 발열반응 이므로 외부로 열을 방출할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 증발기(400)에서 증발된 흡착질은 흡착기(200)로 이동하여 히트파이프 일체형 반응기(300)의 흡착제에서 흡착 반응이 일어날 수 있다. 이때, 증발반응은 흡열반응이므로 증발기(400)는 외부로부터 열을 흡수할 수 있다. 흡착반응은 발열반응이므로 흡착기(200)는 외부로 열을 방출할 수 있다.
이하에서는 상기 히트파이프 일체형 반응기(300)에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 2는 도 1a 및 도 1b의 히트파이프 일체형 반응기의 사시도이다. 도 3은 도 2의 A-A'를 따라 절단한 단면도이다. 도 4는 도 2의 B-B'를 따라 절단한 단면도이다. 도 5a 및 도 5b는 도 2의 히트파이프 핀의 예들을 도시한 단면도들이다.
도 2 내지 도 5b를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 히트파이프 일체형 반응기(300)는 베이스(310) 및 히트파이프 핀(320)을 포함할 수 있다. 즉, 히트파이프 일체형 반응기(300)는 열교환을 위한 열전달 유체(H)가 흐르는 베이스(310)와, 베이스(310)로부터 돌출된 복수의 히트파이프 핀(320)을 포함할 수 있다.
히트파이프 핀(320)은 제1 작동 유체(W1)가 유동하여 열전달이 빠르므로 기존의 금속 평판 형상인 핀보다 열전달이 빠르게 이루어질 수 있다. 이에 따라, 히트파이프 핀(320) 외부에 배치된 흡착제(S)에 열이 균일하게 전달되므로 흡착제(S)의 온도 제어를 균일하게 할 수 있다. 또한, 히트파이프 핀(320)의 내부에 내부 중공(323)이 형성되어 있으므로 열질량이 줄어들어 온도변화가 빠르게 이루어져 온도구배를 줄일 수 있다.
여기에서 도 2 내지 도 5b에 도시되어 있는 구성 요소들 외에 다른 범용적인 구성 요소들이 히트파이프 일체형 반응기(300)에 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
베이스(310)는 베이스 프레임(311)및 채널(312)을 포함할 수 있다. 베이스(310)는 내부에 열전달 유체(H)가 흘러 열전달 유체(H)의 열을 후술하는 히트파이프 핀(320)에 전달할 수 있다. 베이스(310)는 내부에 열전달 유체(H)가 흐를 수 있는 채널(312)이 형성된 박스 형상일 수 있다. 베이스(310)는 히트파이프 일체형 반응기(300) 내부의 압력과 채널(312) 내부의 압력 차에도 불구하고 형상을 유지해야하는 바, 충분한 외벽 두께를 가질 수 있다.
여기에서 도 2 내지 도 5b에 도시되어 있는 구성 요소들 외에 다른 범용적인 구성 요소들이 베이스(310)에 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
베이스 프레임(311)은 후술하는 채널(312)을 둘러싸는 외벽역할을 할 수 있다. 즉, 베이스 프레임(311)에 의해 내부 공간으로서 채널(312)이 형성된다. 베이스 프레임(311)은 내부가 비어 있으며 일방향으로 길게 연장된 튜브 형상일 수 있다. 베이스 프레임(311)의 단면은 사각형일 수 있으나 사용자의 필요에 따라 원형 및 타원형은 물론 다각형 형상도 가능할 수 있다. 베이스 프레임(311)은 외측면에 열전달 유체(H)의 열을 균일하게 전달하기 위해 일정한 두께를 가질 수 있다.
베이스 프레임(311)은 채널(312) 내부에 흐르는 열전달 유체(H)의 열을 후술하는 히트파이프 핀(320)에 전달할 수 있어야 하는 바, 열전도율이 높은 재질로 제작될 수 있다. 또한 베이스 프레임(311)은 히트파이프 일체형 반응기(300) 내부의 압력과 채널(312) 내부의 압력 차에도 불구하고 형상을 유지해야하는 바, 충분한 강성을 지니는 재질로 제작될 수 있다.
예를 들어, 베이스 프레임(311)은 알루미늄(Aluminium), 구리(Copper), 탄소강(Carbon steel), 스테인레스강(Stainless steel), 인코넬(inconel), 티타늄(Titanium) 및 합금(Alloy)등의 재질로 제작될 수 있다. 다만, 베이스 프레임(311)의 형상 및 재질은 이에 한정되지 않고 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 채용될 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있다.
채널(312)은 베이스 프레임(311) 내부에 형성되어, 열전달 유체(H)가 흐르는 통로 역할을 할 수 있다. 채널(312)은 열전달 유체(H)가 원활히 흐를 수 있도록 충분한 직경을 가져야 한다. 채널(312)은 베이스 프레임(311)의 외주면으로부터 일정 간격 이격되어 형성될 수 있다.
히트파이프 핀(320)은 히트파이프 프레임(321), 내부 중공(323), 내부 지지체(324) 및 윅(325)을 포함할 수 있다. 히트파이프 핀(320)은 베이스(310)에 결합되어 내부에 제1 작동 유체(W1)가 유동할 수 있다. 히트파이프 핀(320)은 베이스(310) 내부의 열전달 유체(H)의 열이 히트파이프 핀(320) 외부의 흡착제(S)에 효율적으로 전달되도록 할 수 있다.
또한, 히트파이프 핀(320)은 기존의 금속 재질의 핀에 비해 열질량이 낮아 열 전달 성능을 향상시킬 수 있다. 히트파이프 핀(320)은 내부가 비어 있고 빈 공간 중 일부에 제1 작동 유체(W1)가 채워져 있으므로 기존의 금속 재질의 핀에 비해 밀도가 낮아 히트파이프 일체형 반응기(300) 전체의 무게를 감소시킬 수 있다.
히트파이프 핀(320)은 복수개가 베이스(310)의 외곽면에 동일한 간격으로 이격 배치될 수 있다. 열을 전달하는 히트파이프 핀(320)이 동일한 간격으로 이격 배치된 바, 히트파이프 핀(320) 외부에 위치한 흡착제(S)의 온도를 균일하게 제어할 수 있다. 즉, 히트파이프 핀(320)에서 멀어질수록 흡착제(S)에 전달되는 열에 차이가 발생하는 바, 히트파이프 핀(320)을 동일한 간격으로 배치하여 이러한 차이를 최소화할 수 있다.
히트파이프 프레임(321)은 후술하는 내부 중공(323)을 둘러싸는 외벽역할을 할 수 있다. 히트파이프 프레임(321)은 내부가 비어 있으며 일방향으로 길게 연장된 박스형상 일 수 있다. 히트파이프 프레임(321)의 단면은 사각형일 수 있다. 히트파이프 프레임(321)은 외주면에 제1 작동 유체(W1)의 열을 균일하게 전달하기 위해 일정한 두께를 가질 수 있다.
히트파이프 프레임(321)은 베이스 프레임(311)과 달리 내부에 제1 작동 유체(W1)가 고립되어 유동하도록 할 수 있다. 즉, 히트파이프 프레임(321)의 후술하는 내부 중공(323)은 외부와 열은 교환하도록 하나 물질 교환은 차단하여 닫힌계(Closed system)를 형성할 수 있다.
히트파이프 프레임(321)은 채널(312) 내부에 흐르는 열전달 유체(H)의 열을 흡착제(S)에 전달할 수 있어야 하는 바, 열전도율이 높은 재질로 제작될 수 있다. 또한, 히트파이프 프레임(321)은 히트파이프 일체형 반응기(300) 내부의 압력과 내부 중공(323)의 압력 차에도 불구하고 형상을 유지해야 하는 바, 충분한 강성을 지니는 재질로 제작될 수 있다.
예를 들어, 히트파이프 프레임(321)은 알루미늄(Aluminium), 구리(Copper), 탄소강(Carbon steel), 스테인레스강(Stainless steel), 인코넬(inconel), 티타늄(Titanium) 및 합금(Alloy)등의 재질로 제작될 수 있다. 다만, 히트파이프 프레임(321)의 형상 및 재질은 이에 한정되지 않고 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 채용될 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있다.
내부 중공(323)은 히트파이프 프레임(321) 내부에 빈공간으로 형성되어, 제1 작동 유체(W1)가 유동하도록 할 수 있다. 내부 중공(323)은 10 내지 15%의 공간이 제1 작동 유체(W1)로 채워질 수 있다.
내부 중공(323)은 증발구역(E), 단열구역(I) 및 응축구역(C)으로 구분될 수 있다(도 4 참조). 증발구역(E)에서는 제1 작동 유체(W1)가 열을 흡수하여 기체상태로 증발할 수 있다. 이러한 기체상태의 제1 작동 유체(W1)는 증발구역(E)과 응축구역(C)의 압력의 차이로 인해 단열구역(I)을 거쳐 응축구역(C)으로 이동할 수 있다. 응축구역(C)에서는 기체상태의 제1 작동 유체(W1)가 열을 빼앗기면서 액체상태로 응축하게 될 수 있다. 상기 과정이 반복되어 열이 증발구역(E)에서 응축구역(C)로 이동할 수 있다.
내부 중공(323)은 외부와 물질교환이 일어나지 않고 진공상태를 유지할 수 있다. 내부 중공(323)은 진공상태를 유지하는 바, 낮은 온도에서도 제1 작동 유체(W1)가 쉽게 증발할 수 있다.
내부 중공(323)의 일부를 채우는 제1 작동 유체(W1)는 내부 중공(323)의 온도 및 압력에서 액체와 기체 간의 상변화가 일어날 수 있는 유체일 수 있다. 예를 들어, 물, 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol), 아세톤(Acetone), 암모니아(Ammonia) 및 프레온계 냉매 등이 사용될 수 있다.
내부 지지체(324)는 내부 중공(323)에 결합되어, 내부 중공(323)을 지지할 수 있다. 내부 지지체(324)는 히트파이프 핀(320) 외부에 고압의 기체가 들어올 경우 진공인 내부 중공(323)과의 압력 차에도 불구하고 내부 중공(323)이 형상을 유지할 수 있도록 지지하는 역할을 할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 내부 지지체(324)는 내부 중공(323)의 외곽면의 일면 및 타면을 연결하는 기둥이나 칸막이 벽(Wall) 형상일 수 있다. 내부 지지체(324)는 충분한 지지력을 제공할 수 있도록 적어도 하나 이상이 형성될 수 있다. 내부 지지체(324)는 응력의 균등한 분배를 위해 복수개가 일정한 간격으로 이격 배치될 수 있다.
내부 지지체(324)는 내부 중공(323)을 지지할 수 있을 정도의 충분한 강성을 지닌 강철(Steel), 스테인리스강(Stainless steel) 등과 같은 재질로 제작될 수 있다. 다만, 내부 지지체(324)의 형상 및 재질은 이에 한정되지 않고 내부 중공(323)에 충분한 지지력을 제공할 수 있는 다양한 형상 및 재질이 가능할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 내부 지지체(324)는 복수개가 형성되며, 각각은 받침대(324a) 및 지지 기둥(324b)을 포함할 수 있다. 지지 기둥(324b)은 내부 중공(323) 외곽면의 일면 및 타면을 연결하는 기둥이나 벽 형상일 수 있다. 지지 기둥(324b)은 내부 중공(323)이 고압에도 형상을 유지하도록 지지할 수 있다. 다만 지지 기둥(324b)의 형상은 이에 한정되지 않고 다양한 형상을 가질 수 있다.
받침대(324a)는 지지 기둥(324b)의 단부에 결합되어, 내부 중공(323)과 지지 기둥(324b)의 결합부위에서의 응력을 분산할 수 있다. 받침대(324a)는 내부 중공(323)의 외곽면과 지지 기둥(324b)의 결합부위에서 내부 중공(323)의 외곽면에 가까워질 수록 단면적이 증가할 수 있다. 다만 받침대(324a)의 형상은 이에 한정되지 않고 내부 중공(323)의 외곽면과 지지 기둥(324b)의 결합부위에서 응력을 분산시킬 수 있는 어떠한 형상도 가능할 수 있다.
윅(325)은 내부 중공(323)의 외벽에 형성되고, 응축된 제1 작동 유체(W1)가 이동할 수 있다. 윅(325)은 응축된 제1 작동 유체(W1)가 모세관 압력에 의해 응축구역(C)에서 증발구역(E)으로 이동하도록 할 수 있다(도 4 참조). 윅(325)은 홈(Groove) 또는 다공질 형상일 수 있다(도 5a 및 도 5b 참조). 윅(325)은 또한 금속 가루를 소결시킨 파우더(Powder) 형상(미도시) 및 메쉬(Mesh) 형상(미도시) 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기의 사시도이다.
본 실시예에 따른 히트파이프 일체형 반응기(301)는 결합홈(313) 및 결합돌기(322)를 제외하고는 도 2를 참조하여 설명한 상기 히트파이프 일체형 반응기(300)와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
즉, 도 6을 참조하면, 본 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기(301)에서, 베이스(310)는 결합홈(313)을 더 포함할 수 있다.
결합홈(313)은 베이스 프레임(311)의 외주면에 일정한 간격으로 이격되어 형성된 홈(groove) 형상일 수 있다. 결합홈(313)은 후술하는 결합돌기(322)가 끼워져 히트파이프 핀(320)이 베이스(310)에 탈부착 가능하도록 할 수 있다. 결합홈(313)은 후술하는 히트파이프 핀(320)의 결합돌기(322)에 대응되는 형상의 홈일 수 있다. 결합홈(313)은 베이스 프레임(311)이 연장된 일방향을 따라 길게 연장된 홈일 수 있다.
본 실시예에 따르면, 히트파이프 핀(320)은 결합돌기(322)를 더 포함할 수 있다.
결합돌기(322)는 히트파이프 핀(320)의 일단에 돌출되어 히트파이프 핀(320)이 베이스(310)에 결합되도록 할 수 있다. 결합돌기(322)는 결합홈(313)에 대응되는 형상으로 돌출되어 결합홈(313)에 끼움 결합될 수 있다. 결합돌기(322)는 사용자의 필요에 따라 결합홈(313)에 결합되거나 결합이 해제되어 베이스(310)에 히트파이프 핀(320)이 탈부착되도록 할 수 있다.
즉, 히트 파이프 핀(320)은 결합돌기(322)가 결합홈(313)에 삽입되는 형태로 슬라이딩되며 베이스(310) 상에 고정되거나 베이스(310)로부터 제거될 수 있다.
이와 같이 결합돌기(322)와 결합홈(313)의 자유로운 결합 및 결합해제에 따라 베이스(310)에 결합된 히트파이프 핀(320)의 개수 및 간격을 필요에 따라 조절할 수 있다. 베이스(310)에 결합된 히트파이프 핀(320)의 개수가 지나치게 많은 경우 동일한 공간에 채워질 수 있는 흡착제(S)의 부피가 줄어들어 반응효율이 감소할 수 있다.
베이스(310)에 결합된 히트파이프 핀(320)의 개수가 지나치게 적은 경우, 히트파이프 핀(320) 간의 간격이 넓어져 히트파이프 핀(320)까지의 거리에 따라 흡착제(S)의 온도구배가 클 수 있다. 또한, 히트파이프 핀(320)의 열이 흡착제(S)에 충분히 전달되지 않아 열전달 효율이 낮아지고 이에 따라 반응효율이 감소할 수 있다.
따라서, 히트파이프 일체형 반응기(300) 내부에 흡착제(S)가 위치할 수 있는 충분한 공간을 구비하는 동시에 히트파이프 핀(320) 간의 간격이 지나치게 커지지 않도록 히트파이프 핀(320)의 개수를 적절히 조절하여 반응효율을 높일 수 있다. 이때, 베이스(310)에 탈부착 가능한 히트파이프 핀(320)은 히트파이프 일체형 반응기(300)의 반응효율을 최적화하는데 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기의 단면도이다.
본 실시예에 따른 히트파이프 일체형 반응기(302)는 베이스 히트파이프(314)를 제외하고는 도 6을 참조하여 설명한 상기 히트파이프 일체형 반응기(301)와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기(302)에서, 베이스(310)는 베이스 히트파이프(314)를 더 포함할 수 있다.
베이스 히트파이프(314)는 베이스 내부 중공(314a), 베이스 내부 지지체(314b) 및 베이스 윅(314c)을 포함할 수 있다. 베이스 히트파이프(314)는 베이스 프레임(311) 내부에 위치하고, 내부에 제2 작동 유체(W2)가 유동할 수 있다. 베이스 히트파이프(314)는 히트파이프 핀(320)과 동일한 구조로 제2 작동 유체(W2)가 유동할 수 있다. 베이스 히트파이프(314)는 기존의 베이스 프레임(311)에 비해 열전달이 빠르게 이루어질 수 있다. 또한, 베이스 히트파이프(314) 내부에 내부 중공(323)이 형성되어 있으므로 열질량이 줄어들어 온도변화가 빠르게 이루어져 베이스(310) 전반의 온도구배를 줄일 수 있다.
베이스 히트파이프(314)는 적어도 하나 이상이 채널(312)로부터 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 베이스 히트파이프(314)는 채널(312)의 양 측면에 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 이와 같이 베이스 히트파이프(314)가 배치된 바, 베이스(310) 전반에 걸쳐 온도구배를 줄일 수 있다. 특히, 베이스(310)의 연장방향으로의 온도구배를 줄일 수 있다.
여기에서 도 7에 도시되어 있는 구성 요소들 외에 다른 범용적인 구성 요소들이 베이스 히트파이프(314)에 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
베이스 내부 중공(314a)은 베이스 프레임(311) 내부에 빈공간으로 형성되어 제2 작동 유체(W2)가 유동할 수 있다. 베이스 내부 중공(314a)은 10 내지 15%의 공간이 제2 작동 유체(W2)로 채워질 수 있다.
베이스 내부 중공(314a)도 히트파이프 핀(320)의 내부 중공(323)과 같이 증발구역(E), 단열구역(I) 및 응축구역(C)으로 구분될 수 있다(도 4 참조). 베이스 내부 중공(314a)도 히트파이프 핀(320)의 내부 중공(323)과 마찬가지로 증발구역(E)에서는 제2 작동 유체(W2)가 열을 흡수하여 기체상태로 증발할 수 있다. 이러한 기체상태의 제2 작동 유체(W2)는 증발구역(E)과 응축구역(C)의 압력의 차이로 인해 단열구역(I)을 거쳐 응축구역(C)으로 이동할 수 있다. 응축구역(C)에서는 기체상태의 제2 작동 유체(W2)가 열을 빼앗기면서 액체상태로 응축하게 될 수 있다. 상기 과정이 반복되어 열이 증발구역(E)에서 응측구역(C)으로 이동할 수 있다.
베이스 내부 중공(314a)은 외부와 물질 교환이 일어나지 않고 진공상태를 유지할 수 있다. 베이스 내부 중공(314a)은 진공상태를 유지하는 바, 낮은 온도에서도 제2 작동 유체(W2)가 쉽게 증발할 수 있다.
베이스 내부 중공(314a)의 일부를 채우는 제2 작동 유체(W2)는 베이스 내부 중공(314a)의 온도 및 압력에서 액체와 기체 간의 상변화가 일어날 수 있는 유체일 수 있다. 예를 들어, 물, 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol), 아세톤(Acetone), 암모니아(Ammonia), 및 프레온계 냉매 등이 사용될 수 있다.
베이스 내부 지지체(314b)는 베이스 내부 중공(314a)에 결합되어, 베이스 내부 중공(314a)을 지지할 수 있다. 베이스 내부 지지체(314b)는 베이스(310) 외부에 고압의 기체가 들어올 경우 진공인 베이스 내부 중공(314a)과의 압력 차에도 불구하고 베이스 내부 중공(314a)이 형상을 유지하도록 지지하는 역할을 할 수 있다.
베이스 내부 지지체(314b)는 베이스 내부 중공(314a)을 충분히 지지할 수 있을 정도의 충분한 강성을 지닌 강철(Steel), 스테인리스강(Stainless steel) 등과 같은 재질로 제작될 수 있다. 다만 베이스 내부 지지체(314b)의 형상 및 재질은 이에 한정되지 않고 베이스 내부 중공(314a)에 충분한 지지력을 제공할 수 있는 다양한 형상 및 재질이 가능할 수 있다.
베이스 윅(314c)은 베이스 내부 중공(314a)의 외벽에 형성되고, 응축된 제2 작동 유체(W2)가 이동하도록 할 수 있다. 베이스 윅(314c)은 응축된 제2 작동 유체(W2)를 모세관 압력에 의해 이동하도록 할 수 있다. 베이스 윅(314c)은 홈(Groove) 또는 다공질 형상일 수 있다. 베이스 윅(314c)은 또한 금속 가루를 소결시킨 파우더(Powder) 형상 및 메쉬(Mesh)형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기의 단면도이다.
본 실시예에 따른 히트파이프 일체형 반응기(303)는 베이스(310)의 채널(312) 및 베이스 히트파이프(314)의 개수 및 배치를 제외하고는 상기 도 7을 참조하여 설명한 히트파이프 일체형 반응기(302)와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기(303)에서, 베이스(310) 내부의 채널은 적어도 하나 이상이 배치될 수 있다. 채널(312)이 한 개인 경우, 채널(312)의 단면적이 지나치게 커져 열전달 유체(H)가 원활히 흐르지 않거나 열전달 유체(H)의 열이 채널(312) 전반에 균일하게 전달되지 않을 수 있다. 본 실시예에서는 베이스(310) 내부의 채널이 복수 개 배치된 바 상기 문제점을 해결할 수 있다.
도 7의 히트파이프 일체형 반응기(303)에서 채널(312)은 베이스 프레임(311)의 장방향의 연장 방향을 따라(도면에서는 수직 방향) 길게 하나로 형성된다. 즉, 히트파이프 핀(320)이 연장되는 방향에 수직인 방향으로 채널(312)이 연장된다.
이와 달리, 본 실시예의 경우, 채널(312)은 베이스 프레임(311)으로부터 히트파이프 핀(320)이 연장되는 방향과 평행한 방향(도면에서는 수평 방향)으로 형성되며, 복수개가 수직 방향으로 서로 평행하게 이격되도록 형성된다.
즉, 베이스 히트파이프(314)는 베이스(310) 내부에 복수 개의 채널(312)에 동일한 간격으로 이격되어 적어도 하나 이상 배치될 수 있다. 이와 같이 베이스 히트파이프(314)가 배치된 바, 복수 개의 베이스 히트파이프(314) 간의 열전달이 효율적으로 이루어져 채널(312) 및 베이스 히트파이프(314) 전반에 균일한 온도구배를 형성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기의 단면도이다.
본 실시예에 따른 히트파이프 일체형 반응기(304)는 베이스 프레임(311), 채널(312) 및 베이스 히트파이프(314)의 형상을 제외하고는 상기 도 7을 참조하여 설명한 히트파이프 일체형 반응기(302)와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 의한 히트파이프 일체형 반응기(304)에서는, 베이스 프레임(311)은 단면이 원형 또는 타원형일 수 있다. 이에 따라 베이스 프레임(311) 내부에 위치한 채널(312) 및 베이스 히트파이프(314) 또한 그 단면은 원형 또는 타원형일 수 있다.
다만 도 9를 통해서는 상부에서 관찰한 베이스 프레임(311)의 단면 형상으로 원형으로 도시하였으나, 결국 베이스 프레임(311)은 전체적으로 실린더 형상을 가질 수 있으며, 내부에 채널(312)은 실린더 형상의 내부에 형성되는 중공 형상일 수 있다. 물론, 베이스 프레임(311)의 단면이 타원형 형상이라면, 전체적으로 찌그러진 형태의 실린더 형상을 가질 수 있음은 자명하다.
또한, 베이스 프레임(311)이 실린더 형상으로 가지므로, 채널(312)의 둘레를 감싸는 단일의 베이스 히트파이프(314)로도 히트파이프 핀(320)으로의 열전달이 효율적으로 이루어질 수 있다. 물론, 본 실시예에서는 베이스 히트파이프(314)가 형성되는 것을 예시하였으나, 도 3의 실시예에서와 같이 베이스 히트파이프(314)가 생략되고 채널(312)만 베이스 프레임(311)의 내부에 형성될 수도 있다.
이상과 같이, 기존의 원기둥 형상의 핀-튜브 형상과 유사한 형상을 가지게 되는 바, 기존의 핀-튜브 반응기를 대체하여 사용하기 용이할 수 있다.
나아가, 베이스 프레임(311)이 상기와 같은 실린더 형상을 가지므로, 히트파이프 프레임(321)은 베이스 프레임(311)의 외주면으로부터 동심원 형태로 배열되도록 결합되어 형성된다. 즉, 히트파이프 프레임(321)은 베이스 프레임(311)의 중심을 향하는 방향으로 연장되도록 일정한 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (16)

  1. 내부에 열전달 유체가 흐르는 베이스;
    상기 베이스에 결합되어, 내부에 제1 작동 유체가 유동하는 복수의 히트파이프 핀들; 및
    상기 히트파이프 핀들 사이에 배치된 흡착제를 포함하며,
    상기 히트파이프 핀들 각각은,
    히트파이프 프레임;
    상기 히트파이프 프레임 내부에 형성되어, 상기 제1 작동 유체가 유동하는 내부 중공; 및
    상기 내부 중공에 결합되어, 상기 내부 중공을 지지하는 적어도 하나 이상의 내부 지지체를 포함하는, 히트파이프 일체형 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프 핀들은,
    상기 베이스의 외곽면에 동일한 간격으로 이격 배치된, 히트파이프 일체형 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부 중공은 진공 상태를 유지하는, 히트파이프 일체형 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프 핀들 각각은,
    상기 내부 중공의 외벽에 형성되고, 응축된 상기 제1 작동 유체가 이동하는 윅을 더 포함하는, 히트파이프 일체형 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 윅은 홈 또는 다공질 형상인 히트파이프 일체형 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프 핀들 각각은 상기 베이스에 탈착 가능하게 결합되는, 히트파이프 일체형 반응기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 베이스는 상기 히트파이프 핀과의 결합을 위한 결합홈을 더 포함하고,
    상기 히트파이프 핀들 각각은 상기 결합홈에 슬라이딩 결합되는 결합돌기를 더 포함하는, 히트파이프 일체형 반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 베이스의 단면은 사각형, 원형 또는 타원형인, 히트파이프 일체형 반응기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베이스는,
    베이스 프레임; 및
    상기 베이스 프레임 내부에 형성되어, 상기 열전달 유체가 흐르는 통로인 채널을 포함하는, 히트파이프 일체형 반응기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 베이스는,
    상기 베이스 프레임의 내부에 위치하고, 내부에 제2 작동 유체가 유동하는 베이스 히트파이프를 더 포함하는, 히트파이프 일체형 반응기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 채널은,
    상기 베이스 프레임을 따라 장방형의 단면을 가지며 하나로 연장되는, 히트파이프 일체형 반응기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 베이스 히트파이프는,
    적어도 하나가 상기 채널의 연장 방향과 평행하게 연장되는, 히트파이프 일체형 반응기.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 채널은,
    상기 히트파이프 핀들 각각의 연장 방향에 평행한 방향으로 연장되며, 복수개가 소정의 간격으로 서로 이격되어 형성되는, 히트파이프 일체형 반응기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 베이스 히트파이프는,
    상기 복수의 채널들 사이에 상기 채널과 평행하게 연장되며, 복수개가 형성되는, 히트파이프 일체형 반응기.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 베이스 히트파이프는,
    상기 베이스의 내부에 형성되어, 상기 제2 작동 유체가 유동하는 베이스 내부 중공;
    상기 베이스 내부 중공에 결합되어, 상기 베이스 내부 중공을 지지하는 베이스 내부 지지체; 및
    상기 베이스 내부 중공의 외벽에 형성되고, 응축된 상기 제2 작동 유체가 이동하는 베이스 윅을 포함하는, 히트파이프 일체형 반응기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 베이스 윅은 홈 또는 다공질 형상인, 히트파이프 일체형 반응기.
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