KR101530981B1 - 열저장 유닛 및 이를 이용한 차량 잉여 배열 저장 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대기 중으로 버려지는 차량의 잉여 배열을 효율적으로 활용할 수 있도록 하는 열저장 유닛 및 이를 이용한 차량 잉여 배열 저장 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량 잉여 배열 저장 장치는 차량의 내부에 설치되어 상기 차량에서 발생한 배기가스의 열을 저장하는 차량 잉여 배열 저장 장치에 있어서, 배기가스 및 외기가 유입되고, 상기 배기가스의 열을 통해 상기 외기를 가열하여 가열공기를 배출하는 열교환 모듈; 및 배출된 상기 가열공기가 유입되어, 상기 가열공기로부터의 열을 저장하는 적어도 하나의 열저장 유닛을 구비하는 열저장 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량 잉여 배열 저장 장치는 차량의 내부에 설치되어 상기 차량에서 발생한 배기가스의 열을 저장하는 차량 잉여 배열 저장 장치에 있어서, 배기가스 및 외기가 유입되고, 상기 배기가스의 열을 통해 상기 외기를 가열하여 가열공기를 배출하는 열교환 모듈; 및 배출된 상기 가열공기가 유입되어, 상기 가열공기로부터의 열을 저장하는 적어도 하나의 열저장 유닛을 구비하는 열저장 모듈을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 차량 잉여 배열의 활용 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열저장 유닛과 이를 이용한 차량 잉여 배열 저장 장치에 관한 것이다.
전 세계적인 에너지 수급 불균형으로 인해 고유가 기조가 장기화할 것으로 예상됨에 따라 차량용 유류비용 부담이 갈수록 심화되고 있다.
수송 분야는 국내의 전체 1차 에너지 소비량 중 20% 내외의 비중을 차지하고 있으며, 전 세계적으로도 국가 에너지 소비에 있어서 상당한 비중을 차지하고 있다. 즉, 수송 분야의 에너지 이용 효율 개선을 통한 에너지 절감과 이에 상응하는 온실가스 감축 잠재력은 매우 높다고 할 수 있다.
수송 분야의 대표적인 적용 기술이라 할 수 있는 자동차 엔진에 있어서의 유효 에너지 이용 효율은 엔진 타입이나 기술 방식에 따라 다소 차이는 있으나 대략 30% 내외에 불과하다. 즉, 70%에 달하는 가용한 유효 에너지가 잉여 배열로 낭비되고 있는 실정이다. 따라서, 수송 분야, 특히 차량에서 낭비되고 있는 에너지를 효과적으로 활용할 수 있는 대안 수립의 필요성이 대두되고 있다.
그러나 운송 및 이동을 주목적으로 하는 차량의 경우, 이용 가능한 유효 잉여 배열이 운행 중에 다량 발생한다 하더라도, 이용 목적, 공간적 제약, 기능 측면 등에서 극히 일부의 배열을 활용하는 것 외에는 마땅한 수요처가 없다. 이로 인해 열역학적 측면에서 상당한 유효 에너지를 대기 중으로 방출하게 됨으로써 에너지 낭비는 물론 온실가스 배출의 주범으로 지목되고 있다.
이러한 차량의 잉여 배열은 차량 운행 중에 히터를 이용한 난방으로 활용되고 있는 것에 불과하며, 이에 따라 차량 잉여 배열을 활용하여 에너지 이용 효율을 높이고자 하는 방안들이 다양한 형태로 시도되고 있다.
대표적으로 영국 Atmos Heating System에서 고안한 차량용 배열을 이용한 세대 난방 시스템 기술 등이 있다. 해당 기술은 열저장 유닛을 차량에 고정적으로 부착하여, 운행 중 발생하는 열에너지를 저장하고, 차량을 주차한 이후에는 열 사용처(세대 내)에 별도로 마련되는 2차 열저장 유닛에 다시 열을 저장하여 사용하는 것을 특징으로 한다. 이때 차량에 설치된 열저장 유닛과 세대 내에 설치된 2차 열저장 유닛은 열 이송을 위한 한 쌍의 호스(hose)로 연결된다. 2차 열저장 유닛에 저장된 열에너지는 세대에서 발생하는 급탕 및 난방 등의 열에너지원으로 활용된다.
이러한 기술은 해외에서 일반화되어 있는 주거 형태, 즉 주차장이 구비된 단독의 개별 주택을 대상으로 하는 경우 활용성이 있을 수 있다. 하지만, 그 외의 주거 형태, 예컨대 빌라, 아파트 등의 공동주택과 같이 차량의 주차지역과 세대가 멀리 떨어져 있는 경우에는 열 수요가 발생하는 세대 공간(주거지)과 주차장이 분리되어 있어 실제 활용성이 높지 않은 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 대기 중으로 버려지는 차량의 잉여 배열을 효율적으로 활용할 수 있도록 하는 열저장 유닛 및 이를 이용한 차량 잉여 배열 저장 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 일측에 공기 유입구가 형성되고, 타측에 공기 배출구가 형성되며, 내부에 상기 공기 유입구 및 상기 공기 배출구를 관통하는 관통공이 형성된 용기 형태의 몸체; 상기 몸체와 상기 관통공 사이에 충진된 열저장 물질; 및 상기 열저장 물질과 상기 관통공 사이에 배치된 내부막을 포함하는 열저장 유닛을 제공할 수 있다.
상기 몸체는 단열재로 형성될 수 있다.
상기 열저장 물질은 축열 및 발열이 가능한 물질로 형성될 수 있다.
상기 열저장 물질은 에트링가이트(Ettringite), 황화나트륨(Sodium Sulfide), 황산칼슘(Calcium Sulfate), 황산마그네슘(Magnesium Sulfate), 수산화철(Iron Hydroxide), 탄산철(Carbonate Iron), 산화규소(Silicon Oxide), 및 산화마그네슘(Magnesium Oxide) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 열저장 물질은 입자 형태일 수 있다.
상기 내부막은 망(mesh) 구조일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 차량의 내부에 설치되어 상기 차량에서 발생한 배기가스의 열을 저장하는 차량 잉여 배열 저장 장치에 있어서, 배기가스 및 외기가 유입되고, 상기 배기가스의 열을 통해 상기 외기를 가열하여 가열공기를 배출하는 열교환 모듈; 및 배출된 상기 가열공기가 유입되어, 상기 가열공기로부터의 열을 저장하는 적어도 하나의 열저장 유닛을 구비하는 열저장 모듈을 포함하는 차량 잉여 배열 저장 장치를 제공할 수 있다.
상기 열저장 유닛은 상기 열저장 모듈에 착탈 가능하다.
상기 열교환 모듈은 상기 외기가 유입되는 외기 유입구를 포함하고, 상기 외기 유입구에는 외기 유입을 유도하는 외기 유입 펌프가 배치될 수 있다.
상기 열교환 모듈은 상기 외기가 자연 흡기되어 유입되는 외기 유입구를 포함할 수 있다.
상기 열저장 유닛은 일측에 가열공기 유입구가 형성되고, 타측에 사용공기 배출구가 형성되며, 내부에 상기 가열공기 유입구 및 상기 사용공기 배출구를 관통하는 관통공이 형성된 용기 형태의 몸체; 상기 몸체와 상기 관통공 사이에 충진된 열저장 물질; 및 상기 열저장 물질과 상기 관통공 사이에 배치된 내부막을 포함할 수 있다.
상기 열교환 모듈은 상기 가열공기가 배출되는 가열공기 배출구를 포함하고, 상기 가열공기 유입구는 상기 가열공기 배출구와 연결될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 차량에서 발생하여 배출되는 배기가스의 열을 열저장 유닛에 저장하여 활용함으로써, 차량의 잉여 배열을 효율적으로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 배기가스의 열을 직접적으로 열저장 유닛에 저장하는 것이 아니라, 배기가스에 비해 깨끗한 외기를 유입하여 유입된 외기를 배기가스의 열로 가열시킨 후, 가열된 외기를 열저장 유닛으로 유입하여 외기로부터의 열을 저장하기 때문에, 배기가스에 의한 열저장 유닛의 오염을 최소화할 수 있다. 즉, 배기가스와 외기의 열교환을 이용한 간접 열교환 방식이기는 하나, 배기가스의 온도가 열저장 유닛 내의 열저장 물질에 열이 저장되는 온도에 비해 충분히 높은 온도이므로, 간접 열교환에 따른 열저장 유닛의 효율 저하는 미미하다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 따르면, 차량에 별도로 마련되는 차량 잉여 배열 저장 구조로 인해, 배기가스가 전달되는 위치라면 차량의 어느 위치에라도 자유롭게 설치 가능하고, 탈부착이 용이하도록 설치되기 때문에 차량 성능에 대한 간섭을 최소화할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 열저장 유닛 또는 열저장 모듈의 탈착이 용이하고, 이로 인해 열저장 유닛 내부의 열저장 물질을 필요에 따라 손쉽게 교체할 수 있는 장점이 있다. 특히 열저장 유닛을 반복 사용함에 따라 열저장 유닛 내부의 열저장 물질에 열화가 발생하는 경우, 열저장 물질을 용이하게 교체할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 차량 잉여 배열 저장 장치의 활용 개념을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열저장 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 열교환 모듈의 기능을 도식화한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열저장 유닛의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 열저장 유닛을 Ⅰ-Ⅰ'로 절단한 단면도이다.
도 6a 내지 도 7b는 열저장 모듈과 열저장 유닛의 구조에 대한 실시 예들을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열저장 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 열교환 모듈의 기능을 도식화한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열저장 유닛의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 열저장 유닛을 Ⅰ-Ⅰ'로 절단한 단면도이다.
도 6a 내지 도 7b는 열저장 모듈과 열저장 유닛의 구조에 대한 실시 예들을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
마찬가지로 층, 막, 영역, 판, 부 등의 구성요소가 다른 구성요소의 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소의 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 구성요소가 없는 것을 뜻한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정 일 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 차량 잉여 배열 저장 장치의 활용 개념을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 차량 잉여 배열 저장 장치(이하, "열저장 장치")(100)는 차량(A)에 설치되어, 차량(A)의 구동으로 인해 발생하는 배열을 저장한다. 열사용 장치(300)는 열을 필요로 하는 수요처(B)에 마련되어 열저장 장치(100)를 통해 저장된 열이 사용되도록 한다.
열저장 장치(100)와 열사용 장치(300) 간의 열 이동은 열저장 유닛(200)을 통해 이루어질 수 있다. 열저장 유닛(200)은 열저장 장치(100) 및 열사용 장치(300) 내에 탈착 가능하도록 형성된다.
구체적으로, 열저장 유닛(200)은 열저장 장치(100)에 장착되어 차량(A)의 잉여 배열을 저장한 후, 열저장 장치(100)로부터 탈거될 수 있다. 열저장 장치(100)로부터 탈거된 열저장 유닛(200)은 열사용 장치(300)에 장착됨으로써 차량(A)의 잉여 배열이 차량(A)과 수요처(B) 간에 이동될 수 있도록 한다. 열저장 유닛(200)에 대해서는 추후 보다 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 이와 같이 활용되는 열저장 장치(100)와 직접적으로 차량 잉여 배열을 저장하는 열저장 유닛(200)에 관한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열저장 장치(100)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 열저장 장치(100)는 차량의 엔진(E) 등에서 발생하는 배기가스가 배출되는 배기가스 배출구(11)에 연결되어 설치되며, 열교환 모듈(110) 및 열저장 모듈(120)을 포함할 수 있다.
도 3은 열교환 모듈(110)의 기능을 도식화한 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하여 열교환 모듈(110)에 대해 설명하도록 한다.
열교환 모듈(110)은 고온의 배기가스를 이용하여 외기, 즉 외부로부터 유입된 공기를 가열하고, 가열공기를 배출할 수 있다. 본 명세서에서 가열공기는 외부로부터 유입된 공기가 가열된 상태를 의미한다. 이를 위하여, 열교환 모듈(110)은 배기가스 배출구(11)에 연결됨과 아울러, 외부로부터 공기가 유입될 수 있도록 외기 유입구(111)를 포함할 수 있다. 이러한 외기 유입구(111)는 열교환 모듈(110)에 별도로 마련될 수도 있고, 차량에 설치된 다른 외기 유입수단이 외기 유입구(111)로 사용되어 외부의 공기가 열교환 모듈(110) 내부로 유입되도록 할 수 있다. 이때, 열교환 모듈(110) 내로 외기의 유입이 용이하도록 외기 유입구(111)에는 도 3에 도시된 바와 같이 외기 유입 펌프(113)가 배치될 수 있다. 즉, 외기 유입 펌프(113)는 외기를 강제 흡기하기 위한 구성으로서, 필요에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 외기 유입 펌프(113)를 배치하거나, 외기 유입 펌프(113)를 배치하지 않고 차량의 운행 시 자연 흡기 방식으로 외기가 유입되도록 할 수도 있다.
고온의 배기가스는 배기가스 배출구(11)를 통해 열교환 모듈(110)로 유입되어, 열교환 모듈(110)을 통해 외기가 가열되도록 한다. 이러한 과정을 통해, 고온의 배기가스는 열을 방출하여 온도가 하강하며, 온도가 하강한 저온의 배기가스는 외부 배출구(12)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
한편, 도 2의 실시 예에서는 열교환 모듈(110)이 엔진(E)에 직접적으로 연결된 것으로 도시되어 있으나, 이는 연결 구조의 예를 나타내기 위한 것에 불과하며, 엔진(E) 외에도 고온의 배기가스를 배출하는 구성이면 어느 구성에든 연결될 수 있으며, 연결 위치에도 제약이 없다.
열교환 모듈(110)을 통해 배출된 가열공기는 열저장 모듈(120)에 공급될 수 있다. 이를 위하여, 열교환 모듈(110)과 열저장 모듈(120)은 가열공기 배출구(112)를 통해 서로 연결될 수 있다. 즉, 열교환 모듈(110)로 유입되어 가열된 공기가 가열공기 배출구(112)를 통해 배출되면, 열저장 모듈(120)에서는 배출된 가열공기로부터 열을 저장할 수 있다. 열저장 모듈(120)에서 사용된 가열공기, 즉 열저장 모듈(120)에 열을 공급함으로써 냉각된 가열공기(사용공기)는 열저장 모듈(120)에 연결된 사용공기 배기관(121)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
열저장 모듈(120)은 적어도 하나의 열저장 유닛(200)을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열저장 유닛(200)의 구조를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4의 열저장 유닛(200)을 Ⅰ-Ⅰ'로 절단한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 열저장 유닛(200)은 몸체(210), 가열공기 유입구(220), 사용공기 배출구(230), 열저장 물질(240), 및 내부막(250)을 포함할 수 있다.
가열공기 유입구(220)는 열교환 모듈(110)을 통해 가열된 공기(가열공기)가 유입되는 통로로서, 몸체(210)의 일측이 개방되어 형성될 수 있다. 그리고, 사용공기 배출구(230)는 열저장 유닛(200) 내에서 사용된 공기(사용공기)가 배출되는 통로로서, 몸체(210)의 타측이 개방되어 형성될 수 있다.
구체적으로, 가열공기 유입구(220)는 가열공기 배출구(112)와 연결됨으로써 열교환 모듈(110)로부터 가열공기가 유입될 수 있고, 사용공기 배출구(230)는 사용공기 배기관(121)과 연결되어 사용공기가 외부로 배출되도록 할 수 있다.
몸체(210)는 가열공기 유입구(220)와 사용공기 배출구(230) 사이를 관통하는 관통공(260)을 포함하는 용기 형태로 구성된다. 아울러, 몸체(210)는 내부에 저장된 열이 외부로 방열되지 않도록 열전도성이 낮은 단열재로 형성될 수 있다.
몸체(210)의 내부, 상세하게는 몸체(210)과 관통공(260) 사이에는 열저장 물질(240)이 충진될 수 있다.
열저장 물질(240)과 관통공(260) 사이에는 내부막(250)이 배치될 수 있다. 내부막(250)은 몸체(210) 내부에서 열저장 물질(240)의 위치를 고정하는 역할을 할 수 있다. 이와 동시에, 내부막(250)은 가열공기로부터의 열이 확산되어 열저장 물질(240)로 용이하게 흡수될 수 있도록 한다. 또한, 내부막(250)은 확산 또는 대류를 통해 열저장 유닛(200) 내부의 열저장 물질(240) 사이로 공기가 용이하게 침투된 후 열교환으로 인해 수분이 발생하는 경우, 수분이 용이하게 외부로 배출될 수 있도록 한다. 열저장 물질(240)에 열을 제공하고 온도가 낮아진 가열공기(사용공기)는 열교환으로 인해 발생한 수분과 함께 관통공(260)을 통해 배출될 수 있다.
일 실시 예에서, 내부막(250)은 열전도성이 높고 공기 및 수분의 출입이 용이한 망(mesh) 형태로 형성될 수 있다.
열저장 물질(240)은 축열 및 발열이 모두 가능한 물질로서, 에트링가이트(Ettringite), 황화나트륨(Sodium Sulfide), 황산칼슘(Calcium Sulfate), 황산마그네슘(Magnesium Sulfate), 수산화철(Iron Hydroxide), 탄산철(Carbonate Iron), 산화규소(Silicon Oxide), 산화마그네슘(Magnesium Oxide) 등이 열저장 물질(240)로 사용될 수 있다. 이러한 물질들은 각 물질마다 저장할 수 있는 열의 온도 범위가 있기 때문에, 저장하고자 하는 열의 온도나 열저장 모듈의 설치 위치 등 필요한 조건에 따라 선택적으로 사용될 수 있다. 열저장 물질(240)로는 상기와 같은 물질들 중 어느 하나가 단독으로 사용될 수도 있고, 2개 이상이 조합되어 열저장 물질(240)로 구성될 수도 있다.
열저장 물질(240)은 유입되는 공기와의 반응을 통해 축열 또는 발열을 수행할 수 있다. 일 실시 예에서, 열저장 물질(240)이 가열공기와 접촉되는 경우에는 고온의 가열공기로부터 열을 흡수하여 축열 기능을 수행하며, 열사용 장치(300) 등에서 열을 제공하고자 하는 경우에는 유입되는 저온의 공기를 가열하는 발열 기능을 수행할 수 있다.
아울러, 일 실시 예에서 열저장 물질(240)은 과립(granular) 또는 미립(particulates) 등과 같은 입자 형태로 형성될 수 있다. 입자 형태의 열저장 물질(240)은 적층 시 다공질 구조를 형성하기 때문에, 열저장 진행 시 공기가 용이하게 열저장 물질(240) 내부로 침투 및 배출될 수 있다. 뿐만 아니라, 열교환을 통해 열저장 물질(240)의 수분이 확산 또는 대류에 의해 원활하게 교환 및 제거될 수 있다. 예컨대, 지름 2~4㎜ 과립 형태의 마그네슘 설페이트(MgSO4-7H2O)를 열저장 물질(240)로 사용할 수 있다.
일반적인 열저장 방식으로는 특정 물질의 현열 변화, 잠열 변화(상변화), 또는 물의 탈흡착/화학 반응에 의한 흡열/발열을 이용하는 방식이 있다.
현열 변화 방식의 경우, 가장 오래된 방식으로서 단순히 열저장 매체를 상변화 없이 가열/냉각하여 이용하기 때문에 사용기 간편하나, 열저장 매체의 부피에 비해 열저장 밀도가 낮은 단점이 있다.
상변화 방식은 이러한 현열 변화 방식의 단점을 보완하는 방식으로서, 상변화를 통해 열을 흡수/방출하는 물질, 즉 PCM(Phase Change Material)을 이용한다. 이러한 상변화 방식은 현열 변화에 비해 동일한 부피에서 보다 많은 에너지를 활용할 수 있다.
물의 탈흡착/화학 반응에 의한 흡열/발열을 이용하는 방식은 TCM(ThermoChemical Material)을 이용하는 방식으로서, 상변화 방식에 비해 에너지 활용 효과가 매우 뛰어나다. TCM은 물의 탈흡착/화학 반응 시 열의 흡수 또는 방출이 일어나는 물질이다. 상변화 방식은 상변화에 대한 제어가 어려운 것에 반해, 이러한 TCM을 이용한 방식은 화학 반응을 통해 동일한 부피 조건에서 상변화 없이도 상변화 방식과 동등하거나 그 이상의 열저장이 가능하므로 제어가 간편하고 사용이 용이한 장점이 있다.
본 발명에서는 상술한 실시 예의 물질들을 통해 TCM 이용 방식을 구현할 수 있다.
이하에서는 상술한 물질들 중 황산마그네슘(Magnesium Sulfate, MgSO4)과 산화마그네슘(Magnesium Oxide, MgO)을 실시 예로 설명하도록 한다. 황산마그네슘은 흡착에 의해 화학적 결합을 하는 물질이고, 산화마그네슘은 화학 반응에 의해 화학적 결합을 하는 물질이다.
TCM 물질의 활용 사이클은 열의 관점에서 크게 충전, 저장, 및 배출의 세 단계로 구분될 수 있다.
먼저, 충전 단계는 흡열 과정으로서 디하이드레이션(Dehydration)이라고도 불린다. 구체적으로, 흡착 또는 화학적 결합이 이루어져있는 열저장 물질에 열이 가해지면서 각 성분이 분리되는 단계이다. 이때 결합되어 있던 물이 하기와 같은 반응식에 의해 분리되어 배출되는 과정을 거침으로써 물 또는 수증기가 발생하게 된다. 산화마그네슘의 경우에는 고온에서 반응이 이루어져, 화학 결합에서 분리된 액체 상태의 물이 증발되는 단계를 한번 더 거치게 된다.
[반응식 1] : 황산마그네슘(탈착(흡열))
MgSO4-7H2O → MgSO4 + 7H2O, +346.8 kJ/mol
[반응식 2] : 산화마그네슘(화학결합분리(흡열))
Mg(OH)2 → MgO + H2O(liquid) & H2O(liquid) → H2O(vapor), +121 kJ/mol
이와 같이 열을 흡수한 물질을 습기에 접촉되지 않도록 보관하게 되면, 반영구적으로 열을 저장한 상태를 유지하게 된다.(저장 단계)
마지막으로 발열을 위하여 환원 과정을 통해 저장되어 있는 열을 사용하기 위해서는 물질에 물 또는 수증기를 가하고, 수증기가 화학 물질과 접촉하면서 흡착 또는 화학적 결합이 하기 반응식과 같이 이루어지면서 방열이 일어나게 된다.(배출 단계)
[반응식 3] : 황산마그네슘(흡착(발열))
MgSO4 + 7H2O → MgSO4-7H2O, -346.8 kJ/mol
[반응식 4] : 산화마그네슘(화학결합형성(발열))
H2O(vapor) → H2O(liquid) & MgO + H2O(liquid) → Mg(OH)2, -121 kJ/mol
즉, 본 발명에서는 상기와 같은 충전, 저장, 배출 단계가 열저장 유닛(200) 내부에서 이루어짐으로써, 차량의 잉여 배열을 활용할 수 있도록 한다.
한편, 도 3 및 도 4의 실시 예에서는 열저장 유닛(200)이 원통형으로 도시되어 있으나, 이는 일 실시 예에 불과하며, 열저장 유닛(200)은 내부에 열저장 물질(240)을 포함하고, 가열공기가 열저장 물질(240)과 접촉될 수 있도록 가열공기의 통과 경로를 포함하는 구성이라면 어떠한 형태로든 형성될 수 있다. 아울러, 도 3의 실시 예에서는 가열공기 유입구(220) 및 사용공기 배출구(230)가 몸체(210)에서 돌출된 형태로 도시되어 있으나, 이러한 형태의 실시 예에 한정되지 않는다.
도 6a 내지 도 7b는 열저장 모듈(120)과 열저장 유닛(200)의 구조에 대한 실시 예들을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 6a는 열저장 모듈(120) 및 열저장 유닛(200) 구조의 일 실시 예를 나타내는 내부 단면도이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 열저장 모듈(120)의 외부 사시도이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 열저장 모듈(120)은 일측이 가열공기 배출구(112)와 연결되며, 내부에 복수개의 열저장 유닛(200a, 200b)을 포함할 수 있다. 열저장 모듈(120) 내부에 포함되는 열저장 유닛(200a, 200b)의 개수는 실시 예에 한정되지 않으며, 필요에 따라 적어도 하나 이상이 배치될 수 있다.
열저장 유닛(200a, 200b) 각각의 가열공기 유입구(210a, 210b)는 열저장 모듈(120)에 형성된 가열공기 유입경로(122a, 122b)와 연결되며, 가열공기 유입경로(122a, 122b)는 가열공기 배출구(112)와 연결될 수 있다.
열저장 모듈(120)의 타측은 사용공기 배기관(121)과 연결되며, 사용공기 배기관(121)은 열저장 모듈(120)에 형성된 사용공기 배출경로(123a, 123b)와 연결될 수 있다. 열저장 유닛(200a, 200b)의 사용공기 배출구(220a, 220b)는 사용공기 배출경로(123a, 123b)와 각각 연결될 수 있다.
이를 통해, 열교환 모듈(110)로부터의 가열공기는 열저장 유닛(200a, 200b) 각각으로 유입될 수 있으며, 열저장 유닛(200a, 200b) 내부의 열저장 물질에서 축열이 이루어지고 나면, 사용된 가열공기, 즉 사용공기는 사용공기 배출구(220a, 220b), 사용공기 배출경로(123a, 123b), 및 사용공기 배기관(121)을 경유하여 외부로 배출될 수 있다.
즉, 도 6a 및 도 6b의 실시 예에서는 열저장 모듈(120) 내부에서 각 열저장 유닛(200a, 200b)에 대한 유입경로 및 배출경로가 마련되어, 가열공기 배출구(112) 및 사용공기 배기관(121)과 열저장 모듈(120)의 연결 구조가 간단한 장점이 있다.
도면에 도시되지는 않았으나, 열저장 유닛(200a, 200b)은 열저장 모듈(120)에서 착탈 가능한 구조로 연결될 수 있다. 예컨대, 열저장 유닛(200a, 200b)의 가열공기 유입구(210a, 210b)와 사용공기 배출구(220a, 220b)는 각각 가열공기 유입경로(122a, 122b) 및 사용공기 배출경로(123a, 123b)와 착탈이 용이하도록 나사 결합 또는 끼움 결합될 수 있다.
아울러, 열저장 모듈(120) 또한 가열공기 배출구(112) 및 사용공기 배기관(121) 사이에 착탈 가능한 구조로 연결될 수 있다. 이 경우 상술한 바와 마찬가지로, 열저장 모듈(120)은 가열공기 배출구(112) 및 사용공기 배기관(121)과 나사 결합 또는 끼움 결합의 형태가 적용할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에서는 열저장 유닛(200a, 200b)만을 탈거하여 열사용 장치(300)에서 사용되도록 할 수도 있고, 열저장 유닛(200a, 200b)이 포함된 열저장 모듈(120) 자체를 열저장 장치(100)로부터 탈거하여 사용되도록 할 수도 있다.
한편, 열저장 모듈(120)은 열저장 유닛(200a, 200b)을 착탈 가능하도록 고정하면서 열저장 유닛(200a, 200b)이 가열공기 배출구(112) 및 사용공기 배기관(121)과 연결될 수 있는 구조라면 어떠한 구조로든 형성 가능하다. 예컨대, 열저장 모듈(120)은 지지 기둥을 가지는 프레임(frame) 형태로 형성될 수도 있고, 열저장 유닛(200a, 200b)을 내부에 수용하는 개폐식 박스 형태로 형성될 수도 있다.
도 7a는 열저장 모듈(120) 및 열저장 유닛(200) 구조의 다른 실시 예를 나타내는 내부 단면도이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 열저장 모듈(120)의 외부 사시도이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 열저장 모듈(120)은 일측이 가열공기 배출구(112)와 연결되며, 내부에 복수개의 열저장 유닛(200a, 200b, 200c, 200d)을 포함할 수 있다. 열저장 모듈(120) 내부에 포함되는 열저장 모듈(120) 내부에 포함되는 열저장 유닛(200a, 200b)의 개수는 실시 예에 한정되지 않으며, 필요에 따라 적어도 하나 이상이 배치될 수 있다.
구체적으로, 가열공기 배출구(112)는 열저장 모듈(120)과 인접하는 영역에서 열저장 유닛(200a, 200b, 200c, 200d)의 개수에 대응되도록 분기될 수 있다. 분기된 가열공기 배출구(112) 각각은 열저장 유닛(200a, 200b, 200c, 200d)의 가열공기 유입구(210a, 210b, 210c, 210d)에 연결될 수 있다.
열저장 모듈(120)의 타측은 사용공기 배기관(121)과 연결될 수 있다. 사용공기 배기관(121)은 열저장 모듈(120)과 인접하는 영역에서 열저장 유닛(200a, 200b, 200c, 200d)의 개수에 대응되도록 분기될 수 있다. 분기된 사용공기 배기관(121) 각각은 열저장 유닛(200a, 200b, 200c, 200d)의 사용공기 배출구(220a, 220b, 220c, 220d)에 연결될 수 있다.
이를 통해, 열교환 모듈(110)로부터의 가열공기는 열저장 유닛(200a, 200b, 200c, 200d) 각각으로 유입될 수 있으며, 열저장 유닛(200a, 200b, 200c, 200d) 내부의 열저장 물질에서 축열이 이루어지고 나면, 사용공기는 사용공기 배출구(220a, 220b, 220c, 220d) 및 사용공기 배기관(121)을 경유하여 외부로 배출될 수 있다.
즉, 도 7a 및 도 7b의 실시 예에서는 열저장 유닛(200a, 200b, 200c, 200d)이 직접적으로 가열공기 배출구(112) 및 사용공기 배기관(121)에 연결되기 때문에, 별도의 연결경로를 마련할 필요가 없다.
도면에 도시되지는 않았으나, 열저장 유닛(200a, 200b, 200c, 200d)은 열저장 모듈(120)에서 착탈 가능한 구조로 연결될 수 있다. 예컨대, 열저장 유닛(200a, 200b, 200c, 200d)의 가열공기 유입구(210a, 210b, 210c, 210d)와 사용공기 배출구(220a, 220b, 220c, 220d)는 각각 가열공기 배출구(112) 및 사용공기 배기관(121)과 착탈이 용이하도록 나사 결합 또는 끼움 결합될 수 있다.
아울러, 열저장 모듈(120)의 구조는 상기 도 6a 및 도 6b에서 설명한 바와 마찬가지로 열저장 유닛(200a, 200b)을 착탈 가능하도록 고정하면서 열저장 유닛(200a, 200b)이 가열공기 배출구(112) 및 사용공기 배기관(121)과 연결될 수 있는 구조라면 어떠한 구조로든 형성 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
11 : 배기가스 배출구 12 : 외부 배출구
100 : 차량 잉여 배열 저장 장치(열저장 장치)
110 : 열교환 모듈 111 : 외기 유입구
112 : 가열공기 배출구 113 : 외기 유입 펌프
120 : 열저장 모듈 121 : 사용공기 배기관
122a, 122b : 가열공기 유입경로
123a, 123b : 사용공기 배출경로
200, 200a, 200b, 200c, 200d : 열저장 유닛
210 : 몸체
220, 220a, 220b, 220c, 220d : 가열공기 유입구
230, 230a, 230b, 230c, 230d : 사용공기 배출구
240 : 열저장 물질 250 : 내부막
260 : 관통공
100 : 차량 잉여 배열 저장 장치(열저장 장치)
110 : 열교환 모듈 111 : 외기 유입구
112 : 가열공기 배출구 113 : 외기 유입 펌프
120 : 열저장 모듈 121 : 사용공기 배기관
122a, 122b : 가열공기 유입경로
123a, 123b : 사용공기 배출경로
200, 200a, 200b, 200c, 200d : 열저장 유닛
210 : 몸체
220, 220a, 220b, 220c, 220d : 가열공기 유입구
230, 230a, 230b, 230c, 230d : 사용공기 배출구
240 : 열저장 물질 250 : 내부막
260 : 관통공
Claims (12)
- 일측에 공기 유입구가 형성되고, 타측에 공기 배출구가 형성되며, 내부에 상기 공기 유입구 및 상기 공기 배출구를 관통하는 관통공이 형성된 용기 형태의 몸체;
상기 몸체와 상기 관통공 사이에 충진된 열저장 물질; 및
상기 열저장 물질과 상기 관통공 사이에 배치된 망(mesh) 구조의 내부막
을 포함하고,
상기 열저장 물질에서 수분이 발생하는 경우, 발생한 수분은 상기 망 구조의 내부막을 통해 상기 관통공으로 배출되는 열저장 유닛.
- 제1항에 있어서,
상기 몸체는 단열재로 형성되는 열저장 유닛.
- 제1항에 있어서,
상기 열저장 물질은 축열 및 발열이 가능한 물질로 형성되는 열저장 유닛.
- 제3항에 있어서,
상기 열저장 물질은 에트링가이트(Ettringite), 황화나트륨(Sodium Sulfide), 황산칼슘(Calcium Sulfate), 황산마그네슘(Magnesium Sulfate), 수산화철(Iron Hydroxide), 탄산철(Carbonate Iron), 산화규소(Silicon Oxide), 및 산화마그네슘(Magnesium Oxide) 중 적어도 하나로 이루어지는 열저장 유닛.
- 제4항에 있어서,
상기 열저장 물질은 입자 형태인 열저장 유닛.
- 삭제
- 차량의 내부에 설치되어 상기 차량에서 발생한 배기가스의 열을 저장하는 차량 잉여 배열 저장 장치에 있어서,
배기가스 및 외기가 유입되고, 상기 배기가스의 열을 통해 상기 외기를 가열하여 가열공기를 배출하는 열교환 모듈; 및
배출된 상기 가열공기가 유입되어, 상기 가열공기로부터의 열을 저장하는 적어도 하나의 열저장 유닛을 구비하는 열저장 모듈
을 포함하고,
상기 열저장 유닛은 상기 열저장 모듈에 착탈 가능하며,
상기 열저장 유닛은, 일측에 공기 유입구가 형성되고, 타측에 공기 배출구가 형성되며, 내부에 상기 공기 유입구 및 상기 공기 배출구를 관통하는 관통공이 형성된 용기 형태의 몸체, 상기 몸체와 상기 관통공 사이에 충진된 열저장 물질, 및 상기 열저장 물질과 상기 관통공 사이에 배치된 망(mesh) 구조의 내부막을 포함하는 차량 잉여 배열 저장 장치.
- 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 열교환 모듈은 상기 외기가 유입되는 외기 유입구를 포함하고,
상기 외기 유입구에는 외기 유입을 유도하는 외기 유입 펌프가 배치되는 차량 잉여 배열 저장 장치.
- 제7항에 있어서,
상기 열교환 모듈은 상기 외기가 자연 흡기되어 유입되는 외기 유입구를 포함하는 차량 잉여 배열 저장 장치.
- 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 열교환 모듈은 상기 가열공기가 배출되는 가열공기 배출구를 포함하고,
상기 가열공기 유입구는 상기 가열공기 배출구와 연결되는 차량 잉여 배열 저장 장치.
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| KR1020130082394A KR101530981B1 (ko) | 2013-07-12 | 2013-07-12 | 열저장 유닛 및 이를 이용한 차량 잉여 배열 저장 장치 |
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ID=52572006
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|---|---|---|---|---|
| KR20190103630A (ko) | 2018-02-28 | 2019-09-05 | 한국에너지기술연구원 | 금속-유기 구조체로부터 유도된 무기산화물-탄소계 복합체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 열저장 물질 |
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|---|---|---|---|---|
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JPH09267628A (ja) * | 1996-04-01 | 1997-10-14 | Denso Corp | 蓄冷熱空調装置 |
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-
2013
- 2013-07-12 KR KR1020130082394A patent/KR101530981B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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