KR20110125231A - 금속 수소화물 저장 시스템용 핀 열교환기 - Google Patents

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KR20110125231A
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이쌈 무다워
밀란 비자리아
휘 쟁
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Abstract

고체로부터 액체로 열을 교환하는 다양한 장치들 및 방법들을 개시한다. 일부 실시예들은 가스 흡수 반응이 일어나고 있는 압력 용기로부터 열을 제거하는 것에 관한 것이다. 다른 실시예들은 금속 수소화물 내로 수소가 흡수되고 있는 압력 용기에 관한 것이다.

Description

금속 수소화물 저장 시스템용 핀 열교환기{FINNED HEAT EXCHANGERS FOR METAL HYDRIDE STORAGE SYSTEMS}
관련 출원의 전후 참조
본 출원은 2009년 2월 4일 출원된 "금속 수소화물 수소 저장용 모듈형 열교환기"라는 명칭의 미국 특허 가출원 제61/149,911호, 2009년 4월 3일 출원된 "금속 수소화물 탱크용 모듈형 핀 열교환기"라는 명칭의 미국 특허 가출원 제61/166,451호, 및 2009년 6월 5일 출원된 "금속 수소화물 시스템용 핀 열교환기"라는 명칭의 미국 특허 가출원 제61/184,585호에 대한 우선권을 주장하는바, 상기 출원들 모두는 본원에 참조로 편입된다.
본 발명의 여러 실시예들은 열교환기에 관한 것으로, 구체적으로는 분말의 가열 및 냉각을 위한, 특히 금속 수소화물의 가열 및 냉각을 위한 열교환기에 관한 것이다.
제한된 화석 연료 자원들에 대한 지금까지 증가해온 의존성 및 그 결과에 따른 오염으로 인해, 좀더 안전한 에너지 미래를 얻고자 더욱 청정한 연료 자원들에 대한 절박한 필요성이 생기게 되었다. 한 가지 대체 연료 자원은 수소이다. 연소에 의해 에너지를 생성하고 오염 유발 부산물들을 산출하는 화석 연료들과는 달리, 수소는 산소와의 화학 반응에 의해 소비되어 물만을 부산물로서 형성한다. 따라서 수소는 차세대의 자동차들을 위한 청정 동력원으로서의 엄청난 잠재력을 지니고 있다.
자동차는 연료 보급 전에 장거리를 주행하기 위해서는 미리 지정된 최소량의 수소를 필요로 한다. 계산 결과, 차량을 약 300 마일 주행하는데 7 ㎏의 수소가 사용되는 것으로 드러났다. 대기 온도 및 대기압에서의 수소의 밀도는 0.083 g/L인데 반해, 700 바의 압력에서의 수소의 밀도는 39.6 g/L이다. 700 바의 한계는 고강도 경량 탄소 섬유 복합체 탱크에 대한 압력 평점에 의해 설정된 것이다. 복합체 섬유를 강화시키고 수소 가스의 불투과성을 확보함으로써 그러한 한계를 증가시키기 위해서는 연구가 더 필요하다. 전술된 밀도 값은 700 바에서의 7 ㎏의 수소 가스가 차지하는 부피가 약 220 리터라는 것을 의미한다. 그러한 부피는 차량 내에 저장되기에는 너무 지나치게 크다. 그러한 부피를 용인 가능한 수준으로 감소시키기 위해, 수소를 극저온에서 액체 형태로 저장할 수 있다. 20.3 K에서의 액체 수소의 밀도는 70.8 g/L로서, 700 바에서의 압축 수소의 밀도의 대략 2배이다. 따라서 극저온 저장은 7 ㎏의 액체 수소를 저장하는데 약 100 리터의 부피를 사용하게 된다. 액체 수소를 저장하는데 따른 2가지 단점은 액화 공정과 관련하여 에너지 소비가 높다는 것과 그와 같이 낮은 온도에서 액체 수소를 단열하기가 어렵기 때문에 저장 중에 계속해서 증발이 일어난다는 것이다.
고압 가스 저장 및 극저온 액체 저장에 대한 다른 유망한 실용적 대안은 금속 수소화물을 사용하는 것이다. 많은 금속들(M)과 합금들은 수소와 가역적으로 반응하여 금속 수소화물을 형성할 수 있다.
[반응식 1]
M + 0.5xHx ⇔ MHx + 열
반응의 수소화 과정(정반응)은 수소를 흡수하고 열을 방출하는 반면, 탈수소화 과정(역반응)은 수소를 방출하는데 열 입력을 필요로 한다. 수소화 과정은 충전소에서 차량에 수소를 충전하는 동안 일어나는 과정이다. 탈수소화 과정은 금속 수소화물에 저장된 수소가 탈착되어 연료 전지에서 동력 생성에 사용될 때에 일어난다. 수소화(충전) 과정과 탈수소화(방전) 과정 모두의 속도는 온도에 크게 의존한다. 즉, 양 과정들의 속도는 반응 속도론을 기반으로 한다. 수소화 과정은 그 과정의 진행을 위해서는 반응에 의해 발생한 열을 신속히 제거하는 것을 포함하는 것이 바람직하다. 열이 효율적으로 제거되지 않으면, 반응을 멎게 할 수 있는 수준으로 온도가 상승하게 된다. 그러한 온도 한계는 서로 다른 금속 수소화물들에 있어 상이하고, 자동차 연구에서 현재 시험 중인 금속 수소화물에 있어서는 약 80℃이다. 탈수소화 과정은 금속 수소화물을 화학 열역학에 의존하는 온도로 가열하는 것을 필요로 한다. 탈수소화 과정은 가열이 없으면 일어날 수 없다.
차량에서는, 충전소에서 금속을 수소로 충전하는 동안 열이 발생한다. 2015년 연료 보급 시간의 목표는 5분 미만이다. 그러한 신속한 연료 보급 속도를 얻기 위해서는, 급속 수소화 과정과 관련된 고속 발열을 효율적으로 제거하는 것이 요긴하다. 연료 보급 속도가 빨라질수록(즉, 연료 보급 시간이 짧아질수록) 발열 속도가 더욱더 커지기 때문에 열을 제거하는 것이 훨씬 더 힘들다. 이후에 연료 전지에의 사용을 위해 금속 수소화물로부터 수소를 방출하는 것은 특정 온도로 가열하는 것에 의해 달성된다.
금속 수소화물의 부피 밀도(volumetric density)(금속 수소화물의 단위 부피당 수소가 차지하는 부피)는 액체 질소와 비슷하다. 그러나 금속 수소화물의 주된 단점은 비중 밀도(gravimetric density)(금속 수소화물의 단위 질량당 저장되는 수소의 질량)가 낮다는 것이다. 따라서 수소화 과정에 의해 발생하는 열을 신속하고도 효율적으로 제거하기 위해서는 작은 부피를 차지하고 금속 수소화물에 이용 가능한 만큼의 저장 공간을 제공하는 열교환기가 필요하다. 그러한 열교환기는 고온에서의 금속 수소화물의 열팽창도 또한 감안하여야 한다.
금속 수소화물의 사용 압력(operating pressure)은 온도와 직결된다. 소정의 온도에서, 사용 압력은 수소화 과정이 일어나게 하기 위한 평형 압력보다 더 높아야 한다. 평형 압력은 온도 및 금속 수소화물의 열역학적 특성들에 의존하여 달라진다. 사용 압력이 증가하면, 그 이상에서 수소화 과정이 멎게 되는 온도 한계가 올라간다. 전술된 80℃ 온도에 상응하는 평형 압력을 넘는데에는 400 내지 500 바의 범위에 있는 금속 수소화물 사용 압력이 필요하다. 따라서 열교환기는 그러한 높은 압력을 견디도록 설계되어야 한다.
금속 수소화물은 분말 형태로 이용 가능하거나 임의의 원하는 형상의 펠릿들로 성형될 수 있다. 따라서 수소 차량에서의 열교환기란 고압에서 수소화 과정 및 탈수소화 과정이 매우 효율적으로 되게 하는 온도 수준을 유지하는데 충분한 냉각을 제공할 수 있는 금속 수소화물의 저장 장치이다.
본 발명은 열을 제거하기 위한, 특히 분말로부터 액체로 열을 전달하기 위한 장치들 및 방법들에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태는 매체와 물질 사이에 열을 교환하는 장치에 관한 것이다. 일부 실시예들은 압력 용기 및 내부에 있는 다수의 열 교환 모듈들을 포함한다. 각각의 열교환 모듈은 테이퍼진 내벽을 각각 갖는 제1 및 제2 통로들을 구비한 허브(hub)를 포함한다. 허브로부터 바깥쪽으로 다수의 핀(fin)들이 연장된다. 또 다른 실시예들은 테이퍼진 외부를 각각 갖고 상이한 하나의 통로에 각각 수납된 한 쌍의 슬리브들을 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 압축 가스를 담는 장치에 관한 것이다. 일부 실시예들은 열교환 매체를 수용하는 제1 포트 및 열교환 매체를 복귀시키는 제2 포트를 구비한 압력 용기를 포함한다. 압력 용기는 그 안에 다수의 모듈들을 구비한 내부를 한정한다. 각각의 모듈은 중심부로부터 바깥쪽으로 연장되는 다수의 열교환 핀들을 구비한 허브를 포함한다. 허브는 제1 포트와 유체 연통하는 제1 통로 및 제2 포트와 유체 연통하는 제2 통로를 포함한다. 가스를 흡수하는 고체 물질이 핀들을 둘러싼다.
본 발명의 또 다른 양태는 냉각제와 열을 교환하는 장치에 관한 것이다. 일부 실시예들은 최외곽 벽, 하나 이상의 허브, 및 허브로부터 최외곽 벽까지 연장되는 다수의 핀들을 구비한 열교환 몸체를 포함한다. 다수의 핀들은 압출될 수 있는 패턴으로 배열된다. 허브의 내면은 각도를 두고 테이퍼진다. 또 다른 실시예들은 허브의 각도와 대략 동일한 각도로 테이퍼진 외면을 구비한 슬리브 및 상기 슬리브의 내면 내에 수납된 관을 포함한다.
본 요약 섹션은 물론 본 출원의 어느 다른 곳에서 설명되는 갖가지 장치들 및 방법들은 다수의 상이한 조합들 및 하위 조합들로 표현될 수 있음을 이해할 것이다. 유용성, 신규성, 및 진보성이 있는 그러한 모든 조합들 및 하위 조합들이 본원에서 고려되고 있기는 하지만, 그 조합들을 각각 명시적으로 표현하는 것은 과도하고 불필요한 것임을 인지하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 수소화 반응과 관련된 시간 기준 파라미터들을 나타낸 그래프이다.
도 3은 1차원 열전달 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a는 수소화물의 상이한 포켓들 내에서의 수소화 반응의 반응 진행을 시간을 기준으로 나타낸 그래프이다.
도 4b는 수소화물의 상이한 포켓들 내에서의 수소화 반응 동안의 발열을 시간을 기준으로 나타낸 그래프이다.
도 4c는 수소화물의 상이한 포켓들 내에서의 금속 수소화물의 온도를 시간을 기준으로 나타낸 그래프이다.
도 4d는 컨테이너 90% 충전율에 도달하는 것으로 추정된 시간을 냉각제 대류 계수 및 접촉 저항의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 5는 컨테이너 90% 충전율에 도달하는 시간을 금속 수소화물 포켓의 폭의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 조립된 모듈형 열교환기를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6의 장치의 부분 절개 사시도이다.
도 8은 도 6의 어셈블리로부터 나온 단일의 열교환기를 개략적으로 나타낸 부분 절개 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 용기의 열교환부를 3차원으로 나타낸 사시도이다.
도 12는 핀 플레이트들의 일부를 제거하여 내부의 세부들을 보이고 있는 도 11의 사시도이다.
도 13a는 도 12의 장치의 핀 플레이트의 평면도이다.
도 13b는 도 13a의 장치의 사시도이다.
도 14는 도 11의 장치로부터 나온 테이퍼진 변형 가능한 슬리브를 3차원으로 나타낸 사시도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 어셈블리를 나타낸 사진 사시도이다.
도 16a, 도 16b, 및 도 16c는 각각 본 발명의 상이한 실시예들에 따른 핀 플레이트들의 반쪽 단면 평면도들이다.
도 17a, 도 17b, 도 17c, 및 도 17d는 각각 본 발명의 상이한 실시예들에 따른 핀 플레이트들의 반쪽 단면 평면도들이다.
도 18a, 도 18b, 도 18c, 및 도 18d는 각각 본 발명의 상이한 실시예들에 따른 핀 플레이트들의 반쪽 단면 평면도들이다.
도 19a, 도 19b, 도 19c, 및 도 19d는 각각 본 발명의 상이한 실시예들에 따른 핀 플레이트들의 반쪽 단면 평면도들이다.
도 20a, 도 20b, 도 20c, 및 도 20d는 각각 본 발명의 상이한 실시예들에 따른 핀 플레이트들의 반쪽 단면 평면도들이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 용기를 부분적으로 투명하게 나타낸 3차원 절개 사시도이다.
본 발명의 원리에 관한 이해를 증진시키기 위해, 첨부 도면들에 예시된 실시예들에 대해 설명하기로 하는바, 그 실시예들을 설명하는데 특정의 용어를 사용할 것이다. 그렇지만 그것은 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니며, 본 발명이 관련된 당해 기술 분야의 당업자에게 통상적으로 일어나는 것과 같은 도시된 장치에서의 개조들 및 변경들과 거기에 예시된 본 발명의 원리들의 또 다른 적용들이 고려되고 있음을 이해하여야 할 것이다. 본 발명의 하나 이상의 실시예를 설명 및 도시할 것이며, 본 출원은 본 발명의 다른 실시예들을 도시 및/또는 설명할 수도 있다. 달리 말하지 않는 한, "본 발명"에 대한 어떤 언급은 장치, 방법, 또는 조성물을 비롯한 단일의 실시예를 모든 실시예들에 포함시켜야 할 필요없이 일군의 발명들의 실시예에 대해 언급하는 것으로 이해하여야 한다.
구성 요소 번호(NXX.XX)에 N-시리즈 접두사를 사용하는 것은 그 이후에 도시 및 설명되는 것들을 제외하고는 접두사가 붙지 않은 구성 요소(XX.XX)와 동일한 구성 요소임을 지칭하는 것이다. 일례로, 구성 요소 1020.1은 그 구성 요소 1020.1의 도시 및 설명되는 상이한 특징들을 제외하고는 구성 요소 20.1과 동일하다. 또한, 공통의 구성 요소들 및 관련 구성 요소들의 공통의 특징들은 상이한 도면들에서 동일하게 도시되고/도시되거나, 상이한 도면들에서 동일한 심벌로지(symbology)를 사용하고 있다. 그리하여, 동일한 1020.1과 20.1의 특징들을 설명할 필요가 없는데, 왜냐하면 그 공통의 특징들은 당해 기술 분야의 당업자에게 자명하기 때문이다. 다양한 특정의 양들(공간 치수, 온도, 압력, 시간, 힘, 저항, 전류, 전압, 농도, 파장, 주파수 등)이 본원에서 언급될 수 있지만, 그러한 특정의 양들은 단지 예로서 제시되는 것들이다. 또한, 단지 예를 들어 설명되는 물질의 특정의 조성에 관한 논의는 그 조성의 다른 종들의 이용 가능성을 제한하는 것도 아니고, 인용된 조성과 무관한 다른 조성들의 이용 가능성을 제한하는 것도 아니다.
본 발명의 여러 실시예들은 가스 저장 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에 있어서, 그 가스 저장 시스템은 압력 용기 내에 배치된 다량의 가스 흡수 고체 물질을 포함한다. 압력 용기는 가스가 흡탈장됨에 따라 고체 물질 내외로 각각 열을 전달하는 하나 이상의 열교환기들도 또한 포함한다.
본 발명의 다른 실시예들은 열교환기들의 구성들에 관한 것이다. 일부 실시예들에 있어서, 그 열교환기들은 고체 물질 내외로 및 액체 냉각 매체 내로 열을 전달하도록 구성된다. 그러나 본 발명의 다른 실시예들은 임의의 물리 상태(기체, 액체, 또는 고체)의 물질 내외로 및 유체 매체(기체 또는 액체) 내로 열을 전달하는 것을 고려하고 있다.
본 발명의 또 다른 실시예들은 열교환기를 구성하는 방법들 및 장치들에 관한 것이다. 일 실시예에 있어서, 하나 이상의 중심 냉각 통로와 그 통로로부터 반경 방향으로 바깥쪽으로 연장되는 다수의 핀들을 구비한 대략 원통형의 열교환기가 제공된다. 일부 실시예들에 있어서, 핀들은 허브를 최외곽 링과 상호 연결한다. 허브는 냉각 매체의 흐름을 위한 하나 이상의 통로를 포함한다. 가열 또는 냉각되는 물질은 허브와 외곽 링 사이에 배치된다. 핀 패턴은 열교환기의 몸체가 알루미늄과 같은 재료로 압출될 수 있도록 배열되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예는 다수의 열전도 핀들로부터 냉각 매체로의 낮은 접촉 저항을 갖는 열교환기에 관한 것이다. 일부 실시예들에 있어서, 그것은 핀들이 공통의 허브로 열을 전달하도록 핀들을 배열함으로써 달성된다. 냉각관이 허브를 통과한다. 일부 실시예들에 있어서, 허브는 원추형 안지름 부분을 한정하고, 냉각관은 보완적 형상의 원추형 바깥지름 부분을 한정한다. 허브와 핀들은 허브 안지름 부분과 냉각관 바깥지름 부분 사이의 억지 끼워 맞춤이 있을 때까지 냉각관의 길이를 따라 슬라이딩할 수 있다. 허브는 허브와 냉각관 중의 하나와 결합하여 허브와 냉각관 중의 다른 하나에 맞대어 밀어내는(또는 끌어당기는) 패스닝 장치에 의해 억지 끼워 맞춤 배열로 유지될 수 있다.
또 다른 실시예들에 있어서, 냉각관은 대략 원통형의 바깥지름 부분을 구비하고, 슬리브의 보완적 형상의 원통형 안지름 부분 내에 수용된다. 일 실시예에 있어서, 슬리브는 테이퍼지고 유사한 테이퍼를 갖는 허브 내에 끼워 맞춰지도록 구성 및 배치된 바깥지름 부분을 구비한다.
또 다른 실시예들에 있어서, 슬리브는 슬리브의 압축 후프 강성이 줄어드는 하나 이상의 영역들을 구비한다. 일례로, 그러한 강성이 줄어든 국부적 영역은 슬리브의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되는 길이 방향으로 배치된 슬롯들일 수 있다. 냉각관이 슬리브 내에 놓이고, 그 서브 어셈블리가 테이퍼진 허브 내에 놓이면, 허브는 그것이 슬리브의 외면과 충분히 간섭되어 강성이 줄어든 영역들이 허브 내로의 슬리브의 변형을 허용할 때까지 슬리브의 길이를 따라 슬라이딩할 수 있다. 그러한 변형은 억지 끼워 맞춤을 달성하고 이어서 슬리브와 허브 사이 및 나아가 슬리브와 냉각관의 바깥지름 부분 사이의 낮은 접촉 저항을 달성하게 하는 것을 돕는다.
일부 실시예들에 있어서, 슬리브의 외면은 원추형 형상을 갖는다. 그러나 본 발명은 그와 같이 한정되는 것이 아니라, 슬리브의 횡단면 형상(외면을 기준으로)이 정사각형, 삼각형, 타원형, 또는 기타 임의의 형상으로 된 다른 실시예들도 고려하고 있다. 일례로, 삼각형 횡단면을 갖는 슬리브의 외면들이 평탄한 실시예에서는, 3개 측면들이 각각 테이퍼를 포함하고, 슬리브의 외형이 3면 피라미드를 닮게 된다. 대략 정사각형의 횡단면 형상을 갖는 실시예들에서는, 테이퍼진 슬리브의 외형이 4면 피라미드 형상을 닮게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예들은 테이퍼진, 그러나 국부적으로 강성이 줄어든 영역들을 갖지 않는 슬리브를 사용하는 것을 고려하고 있다. 그러한 실시예들에 있어서, 슬리브의 외면 및/또는 허브의 내면은 핀이 테이퍼진 슬리브의 길이를 따라 슬라이딩함에 따라 변형되는 고전도 연질 재료로 코팅될 수 있다. 일례로, 그 재료는 인듐 함유 물질의 포일 또는 층일 수 있다.
본 발명의 여러 실시예들은 금속 분말과 같은 금속으로 가스가 흡수되는 압력 용기로부터 열을 제거하는 장치들 및 방법들에 관한 것이다. 특정 실시예들에 있어서, 흡수되는 가스는 수소이고, 고체 물질은 금속 수소화물 분말이다. 그러나 다른 실시예들은 그와 같이 한정되지 않고 일반적인 가스 흡수 과정의 냉각 또는 가열에 관한 것들이며, 일부 실시예들에서는 흡수 반응을 압력 용기 내에 격납하는 것과 관련되어 있음을 알아야 할 것이다.
수소가 금속 수소화물에 흡수되는 것과 관련하여, 흡수 반응 동안 열이 방출된다. 수소가 수소화물 내에 흡수되는 속도를 증가시키고 또한 압력 용기 어셈블리의 용인 가능하고 안전한 온도를 유지하기 위해서는 그러한 열을 제거하는 것이 바람직하다. 일부 적용들에 있어서, 수소 가스는 연료 전지에 의해 동력을 공급받는 자동차와 같은 차량을 추진하는데 추후 사용하기 위해 저장된다.
그러한 적용들에 있어서, 상업적으로 용인 가능한 시간 내에 탱크를 거의 충전시킬 수 있도록 압력 용기 및 충전 방법을 구성하는 것이 바람직하다. 일 실시예에 있어서, 용인 가능한 시간은 약 300 초이나, 다만 그러한 충전 시간은 본 발명의 임의의 실시예에 대한 제한이 아니라, 다른 실시예들은 특정의 적용에 대한 용인 가능한 충전 시간을 얻는 장치 및 방법의 구성을 또한 고려하고 있음을 이해하여야 할 것이다. 일부 적용들에 있어서, 열교환기들은 특정의 충전 시간을 얻도록 구성되는 것이 아니라, 그 대신에 특정의 열 유속(heat flux)을 얻도록 구성된다. 일례로, 일부 군사 적용들에서는, 본 발명의 다양한 실시예들이 바람직한 충전 시간을 얻는데 사용될 뿐만 아니라, 특히 다른 장치나 방법에서 열이 사용되는 적용들을 위해 바람직한 수준의 발열을 얻는데에도 사용될 수 있다. 예컨대, 수소화 반응 동안의 열 방출을 임의의 카르노 사이클(Carnot cycle) 엔진에 동력을 공급하는데 사용하거나, 열의 부가가 바람직한 임의의 적용에 사용할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들의 일 양태는 300 초 이내에 수소로 거의 채워질 수 있는 열교환기들에 관한 것이다. 2차원 해석 모드의 다양한 버전들을 분석하여 그 버전들로부터 후보 구성을 선택하였고, 그 후보 버전을 구성하여 시험하였다.
다양한 열교환기 구성들의 컴퓨터 모델링에서는, 다음의 파라미터들 중의 몇 가지들을 사용하였다: (1) 압력 용기는 약 4 인치의 안지름을 가졌다; (2) 냉각제를 제공하기 위한 관은 약 3/8 인치의 바깥지름 및 약 1/16 인치의 벽 두께를 가졌다; (3) 압력 용기의 초기 온도는 약 20℃이었다; (4) 금속 수소화물로부터 열교환기의 전도 표면으로의 접촉 저항은 약 1/1000 ㎟-
Figure pct00001
K/W이었다; (5) 냉각 매체는 냉각제 입구로부터 냉각제 출구까지의 약 7 바의 압력차 및 약 20 리터/분의 유량을 갖는 Dexcool®이었다; (6) 압력 용기를 60 초 동안 1 바로부터 500 바로 상승시키고 이후로 일정한 최대 압력을 유지하는 가압 프로파일로써 수소로 가압하였다; (7) 압력 용기는 약 6 ㎏의 수소를 담고 있었다; (8) 압력 용기의 길이는 약 1 미터 미만이었다.
모델링 및 후속 시험을 위해 선택된 금속 수소화물은 티타늄, 크롬, 및 망간을 통합한 수소화물이다. 특히, 화학식 Ti(1.1)CrMn의 조성물을 사용하였다. 그러나 본 발명의 여러 실시예들은 그와 같이 한정되는 것이 아니고, 설명되고 청구되는 장치 및 방법은 가스가 흡수되는 임의의 타입의 고체 물질과 함께 적용될 수 있되, 특히 임의의 타입의 금속 수소화물에 적용될 수 있다.
반응 속도론의 각종 파라미터들이 아래 표 1에 제시되어 있다.
기호 값 단위
Ca(활성화 속도) 150 1/s
Ea(활성화 에너지) 20,700 J/ mol - H2
델타-S(엔탈피 변화) -113.4 J/K- mol - H2
Cp(MH의 비열) 500 J/㎏-K
MW_H2 2.0158 g/ mol
이들 모델링 파라미터들은 단지 일례로 주어진 것이다. 임의의 모델링 실습에서 그러한 바와 같이, 전술된 파라미터들 중의 하나 이상을 일정 범위에 걸쳐 변화시켰다. 또한, 청구되는 장치 및 방법이 반드시 이들 파라미터들에 의해 기술되는 것은 아님을 이해하여야 할 것이다.
Matlab®로 생성된 1차원 모델로써 몇 가지 컴퓨터 모델링을 수행하였다. 그러한 모델은 금속 수소화물에 대한 허용 가능한 포켓 폭들의 추정을 제공하는데, 또한 열교환기들의 성능(제작의 용이성, 조작성, 무게, 부피, 및 비용)과 충전 시간에 미치는 금속 수소화물(MH) 특성들, 가압 프로파일, 접촉 저항, 냉각제 온도, 유량 등과 같은 각종 파라미터들의 영향을 이해하는데 도움을 주었다. 1차원 모델(도 3을 참조)을 사용하여, Fluent®에서 상이한 2차원 열교환기 설계 모델들을 생성하였고, 다양한 파라미터들을 변경함으로써 그들의 성능을 분석하였다.
도 2는 압력 용기의 충전과 관련된 2개의 파라미터들, 즉 발열 속도와 반응의 퍼센티지 완료율(반응 진행율)을 시간 기준으로 나타낸 그래프이다. 가장 좌측의 세로축을 참조하면, 약 20 초에서 발열의 상당한 피크가 있다가 약 100 초에서 낮은 거의 일정한 값으로 하락하는 것을 알 수 있다. 그러한 초기 기간 동안, 반응 속도는 더 높은 제1 비율로 아주 선형적이다가 약 60 초에서 감소한 제2 선형 비율로 바뀌는 것을 알 수 있다. 그러한 플롯은 작동의 최초 수분 동안 충전 작업에 의해 상당한 열 방출이 있다는 것을 보여주고 있다.
1차원 모델링으로부터, 수소화물의 밀도, 비열, 및 열전도도; 수소화물의 공극 특성들; 압력 용기의 압력 이력; 물질들 및 반응들과 관련된 엔탈피 및 엔트로피 등과 같은 각종 양들을 고려하여 포켓에 대해 허용 가능한 최대 폭이 있음이 밝혀졌다. 일부 시스템들에 있어서는, 전술된 압력 용기 및 300 초 이하의 충전 시간에 대해 금속 수소화물의 포켓이 냉각 핀으로부터 20 밀리미터 미만, 바람직하게는 냉각 핀으로부터 15 밀리미터 미만이어야 하는 것이 밝혀졌다. 접촉 저항이 충전 시간을 줄임에 있어 요긴하다는 것도 또한 밝혀졌다. 접촉 저항(수소화물로부터 핀으로의 접촉 저항 및 허브로부터 냉각관으로의 접촉 저항과 같은)이 낮아지면, 충전 시간이 작아진다. 냉각제 유량을 증가시킴으로써 충전 시간을 더 줄일 수 있다.
분석적 결과들 중의 일부가 도 5에 도시되어 있다. 300 내지 400 초 내에 0.9의 충전율에 도달하는 충전 시간에 대해 금속 수소화물의 폭이 20 내지 14 밀리미터의 범위 내에 있어야 하는 것을 알 수 있다. 도 4에서, 하단 곡선들은 Ti-Cr-Mn 조성물에 대한 분석 결과들이고, 상단 곡선(라벨이 붙은 점근선)은 상이한 금속 수소화물에 대한 결과이었다.
본 발명의 여러 실시예들은 금속 수소화물의 포켓에 대한 최소 크기와 관련된 설계 원리를 통합하고 있다. 포켓의 구성은 냉각 핀들 또는 포켓을 둘러싸는 다른 냉각 구조에 의해 수립된다. 상업적으로 용인 가능한 시간 내에 수소가 적정히 충전된 압력 용기를 얻기 위해서는, 포켓의 중심으로부터 가장 가까운 냉각 핀 또는 냉각관까지의 최소한의 거리가 있다는 것이 판명되었다. 또한, 일정 길이(핀의 가장 긴 크기)의 핀들은 개개의 핀이 2개의 반대 방향들 중의 어느 한 방향을 따라 열을 흘릴 수 없는 "데드 엔드(dead end)"를 갖지 않도록 다른 열전달 핀들 또는 허브나 외부 링과 상호 연결되는 것이 바람직하다. 그러한 핀 패턴의 일례를 도 4c에서 볼 수 있는데, 그러한 패턴에서 개별 핀들(60)은 각각 최외곽 연결 링(68), 노드 교차점(66), 또는 허브(50)와 상호 연결된다.
2차원 모델에 의한 추가의 분석을 수행하였는데, 도 4a, 도 4b, 및 도 4c의 그래프들은 그 분석 결과들 중의 일부를 각각 나타내고 있다. 도 4c에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 수소화 반응 동안의 온도들이 핀 플레이트(도 4c의 삽입 도면 참조)의 3개의 포켓들에서 시간의 함수로 도시되어 있다. 도 4c는 3개의 포켓들에서의 예측 온도들을 시간의 함수로 나타내고 있고, 수소화물에 대해 계산된 평균 온도도 또한 나타내고 있다. 도 4a는 3개의 포켓들 내에서의(및 또한 평균에 대한) 반응 속도를 시간의 함수로 나타내고 있다. 이 도면은 3개의 포켓들이 중심 통로들(포켓 3과 같은)로부터 더 멀리 떨어질수록 시간의 함수로서의 수소화 반응의 진행이 더욱더 작아진다는 것을 보이고 있다. 도 4b에서 알 수 있는 바와 같이, 냉각 통로들(포켓 1과 같은)로부터 가장 멀리 떨어진 포켓들은 그 냉각 통로들에 더 가까운 포켓들보다 늦은 시간에 열 하중들을 발생시켰다.
도 4d는 접촉 저항 및 대류 계수가 0.9의 반응 진행률을 얻는데 소요되는 시간에 미치는 영향을 더 나타내고 있다. 상단 곡선은 2,000 W/㎡K의 대류 계수와 약 1 및 1.5 리터/분의 유량에 대해 90 퍼센트의 충전이 약 770 초 내에 도달될 수 있다는 것을 보이고 있다. 하단 곡선은 10,000 W/㎡K의 대류 계수와 약 9 리터/분의 유량에 대해 90 퍼센트의 충전에 도달하는 시간이 약 350초인 것을 보이고 있다. 접촉 저항과 대류 계수 모두 열교환기의 성능에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 일반적으로 및 일부 실시예들에 있어서, 대류 계수가 접촉 저항보다 더 두드러지게 열교환기 설계에 영향을 미친다. 그러나 접촉 저항의 값들이 높은 경우에는, 원하는 충전 시간을 얻기 위해 대류 계수를 상응하게 증가시켜야 한다. 따라서 본 발명의 일부 실시예들은 허브와 냉각과 사이의 접촉 저항을 감소시키는 슬롯들을 구비한 테이퍼진 슬리브들과 같은 특징들을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 컨테이너 어셈블리(20)의 외형도이다. 컨테이너(20)는 전체적으로 가스 흡수 물질(22)로 둘러싸인 다수의 열교환 모듈들(21)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 가스 흡수 물질(22)은 수소를 저장하기 위한 임의의 타입의 금속 수소화물이다. 그러나 본 발명의 다른 실시예들은 수소 이외의 가스들을 저장하기 위한 금속 수소화물 이외의 가스 흡수 물질들을 고려하고 있다. 또한, 본 발명의 여러 실시예들은 분말들을 비롯한 고체 형태로 된 물질들(22)의 사용을 고려하고 있다.
일 실시예에 있어서, 다량의 가스(수소와 같은)(24)가 물질(22) 내에 저장된다. 가스를 물질 내외로 흡탈장하는 과정은 냉각(흡장의 경우) 또는 가열(탈장의 경우)에 의해 촉진된다. 따라서 본 발명의 여러 실시예들은 임의의 유체 매체(액체 또는 기체)가 고려되기는 하지만 열교환 매체(Dexcool®과 같은)를 사용하는 것을 고려하고 있다. 일부 실시예들에 있어서, 컨테이너(20)는 예컨대 불활성 고 전도도 분말(28.1)과 같은 내부 열전도도를 향상시키는 물질(28) 또는 고 전도도 메시(mesh) 또는 격자 망을 더 포함한다.
컨테이너(20) 내에 저장되는 가스의 양은 고압의 사용에 의해 증가한다. 따라서 일부 실시예들은 컨테이너 어셈블리(20)가 외벽(30.1)에 걸친 압력 차를 효율적으로 수용하도록 하는 형상, 예컨대 원통형 형상 또는 구형 형상으로 형성되는 것이 바람직한 압력 용기(30)를 포함하는 것을 고려하고 있다. 일부 실시예들에 있어서, 압력 용기는 그 압력 용기의 외벽에 걸친 약 100 바의 압력 차를 갖는다. 다른 실시예들에 있어서, 압력 용기는 외벽에 걸친 500 바의 압력 차를 갖는다. 그처럼 높은 압력 차들을 수용하는데 사용되어야 하는 물질의 타입들, 배열들, 및 두께로 인해, 본 발명의 여러 실시예들은 압력 용기 내의 열교환 모듈들이 그 열교환 모듈들의 임의의 부분에 걸쳐 상당한 압력 차를 갖지 않도록 하는 것을 고려하고 있다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 있어서, 압력 용기(30)는 전체적으로 제1 및 제2 단부들(30.2, 30.3)을 각각 갖는 원통형으로 되는데, 제1 및 제2 단부들은 단부들 내의 응력들의 분포를 개선하기 위해 구형의 돔 모양(도시 생략)으로 될 수 있다.
도 6 및 도 7은 금속 수소화물 내에 수소를 저장하는 것과 같이 다공성 물질 내에 가스를 저장하기 위한 다수의 열교환 모듈들(21)을 개략적으로 나타내고 있다. 열교환기는 U형 관(70)을 통해 펌핑되는 액체(26)에 의해 냉각되는 일련의 동일한 모듈들(40)을 포함한다. 도 8은 (ⅰ) 임의의 흩어진 수소화물에 대해 수집 부피 공간을 제공하는 금속 케이싱(도시 생략) 내에 있는 금속 수소화물 펠릿(22.3) 또는 금속 수소화물 분말, (ⅱ) 중심 금속 허브(50), (ⅲ) 한 쌍의 열 슬리브들(82), 및 (ⅳ) 한 쌍의 너트들과 같은 패스너들(90)을 포함하는 단일의 모듈을 나타내고 있다.
냉각관(70)(도 7에서 가장 잘 볼 수 있는, 명료화를 위해 도 8로부터는 생략)은 축 방향으로 슬리브(82)의 중심을 통과한다. 슬리브의 안지름은 냉각관의 바깥지름보다 약간 더 크다. 슬리브의 외부(84)는 테이퍼지고, 슬리브가 허브를 통해 슬라이딩할 때에 순응성을 제공하는 슬롯들(84.1)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 너트를 조일 경우, 너트는 슬리브를 냉각관(70)과 금속 허브(52.1) 모두와 꽉 맞물리도록 강압하여 냉각관과 허브 사이의 열 접촉 저항을 감소시키는 역할을 한다.
핀들(60)은 허브로부터 반경 방향으로 바깥쪽으로 연장되어 금속 허브와 금속 수소화물 펠릿(22.3) 또는 분말의 접촉 표면적을 증대시킨다. 금속 수소화물 펠릿은 두 물질들 사이의 접촉 저항을 최소화시키기 위해 허브 및 핀들의 외형에 맞도록 형성될 수 있다. 대안적으로, 수소화물의 외형을 한정하고 전체적으로 열교환기(40)를 둘러싸는 금속 케이스가 금속 수소화물 분말로 채워질 수도 있다. 도 1은 다수의 모듈들(40)을 둘러싸고 또한 압력 용기(30)의 내부 안에 위치하는 케이싱(41)을 개략적으로 나타내고 있다. 일부 실시예들에 있어서, 케이싱(41)은 그에 걸쳐 상대적으로 적은 압력 차를 갖거나 압력 차를 갖지 않고, 그로 인해 얇은 재료로 제작될 수 있다.
금속 수소화물 펠릿 또는 케이싱의 외형을 기어 형상으로 하는 한 가지 목적은 금속 수소화물을 금속 핀들의 표면들로부터 짧은 거리 내에 유지하기 위한 것이다. 그러한 짧은 거리는 허브 및 핀들과 전도 슬리브의 높은 열전도도와 함께 금속 수소화물과 냉각관을 통해 흐르는 액체 사이의 전체적인 열 저항을 감소시키는 역할을 한다. 열전달 효율성은 고 전도도 분말 또는 금속 메시를 펠릿 또는 분말 중에 혼합하여 금속 수소화물의 전체 열 전도도를 증대시킴으로써 더 향상될 수 있다. 압력 용기의 안지름에 의존하여 1개를 넘는 U형 관을 사용할 수도 있다.
도 8은 열교환기의 구성을 한층더 도시하고 있는 절개된 도면을 나타낸 것이다. 어셈블리는 스토퍼(75)를 냉각관의 굽힘 단부(32.3) 쪽에 클램핑하는 것에 의해 비롯된다. 이어서, 모듈을 스토퍼에 맞닿을 때까지 왼쪽으로부터 냉각관을 따라 슬라이딩시킨다. 다음으로, 모듈의 너트를 조여 모듈을 냉각관 둘레의 소정의 지점에 단단히 유지되도록 강압한다. 너트를 조임으로써, 슬리브(82)에 텐션이 가해진 상태에 놓이게 된다. 그러한 텐션에 의해, 슬리브(82)의 테이퍼진 외면(84)이 중심 통로(52.1)의 안지름 부분과 더욱 밀착된 상태로 강제된다. 그리고 나서, 제2 모듈을 제1 모듈과 맞닿을 때까지 냉각관을 따라 슬라이딩시킨다. 제2 모듈의 너트를 같은 방식으로 조인다. 나머지 모듈들을 적층함으로써 그러한 과정을 반복한다.
도 9 및 도 10은 열교환기 및 그 부품들의 여러 부가의 단면도들을 나타내고 있다. 도 9는 도 8에 도시된 모듈(40)과 유사한 열교환기 모듈(140)의 개략적인 단면도를 나타내고 있다. 그 2개의 모듈들의 한 가지 차이점은 모듈(140)이 허브(150)를 통해 단일 냉각관(170)을 위한 단일 중심 통로를 포함한다는데 있다. 또한, 슬롯들을 구비한 슬리브(182)는 반경 방향으로 바깥쪽으로 허브(150) 내로 연장되는 다수의 핀들(186)을 포함한다. 그러한 핀들(186)은 국부적 약화 영역(184)이 그 사이에 놓인 채로 이격되는 것이 바람직하다. 핀들(186)은 허브(150)와 슬리브(182) 사이의 열전달을 위해 그들 사이의 유효 표면적을 확대하는 것을 지원한다. 도 10은 핀들(260)을 둘러싸는 금속 수소화물(222)이 핀들(160) 주위의 수소화물(122)과 같이 기어 형상으로 형성되거나 압축되지 않는다는 점을 제외하고는 모듈(140)과 유사한 열교환기 모듈(240)의 개략적인 단면도를 나타내고 있다.
본원에 도시되고 설명되는 본 발명의 여러 실시예들은 다양한 특징들 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들은 결함이 있는 모듈들을 대체하는 것을 용이하게 하는 모듈형 설계를 포함한다. 다른 실시예들은 U자 형상의 하나 이상의 다리들 상에 다수의 모듈들을 탑재한 U형 관을 포함한다. 일 실시예의 U형 관은 모듈들 내에 일렬로 정렬된 제1 세트의 허브 통로들 내로 냉각제를 이송하고, U형 통로에서 흐름 방향을 바꾼 후에 반대 방향으로 동일 허브들의 일렬로 정렬된 냉각 통로들 중의 다른 냉각 통로들로 냉각제를 흘린다. 몇몇 구성들에 있어서, U형 관은 도 1에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이 압력 용기 내에 포함된다. 다른 실시예들에 있어서, 압력 용기의 각각의 단부에 2개의 냉각제 포트들이 있도록 U형 복귀 통로가 제거될 수 있다. 그러한 실시예들에서는, 모듈들을 통해 동일한 방향으로 냉각제 흐름을 제공하는데 2개의 냉각 통로들이 사용될 수 있다. 또한, 압력 용기로부터 밖으로 흐르는 냉각제는 다른 열교환기에 제공될 수 있다.
또 다른 실시예들은 금속 수소화물 펠릿들과 함께 사용하기 위한 적응성을 포함한다. 다른 실시예들은 임의의 자유분말(loose powder)을 격납하기 위한 케이싱의 지원을 받아 금속 수소화물 분말과 함께 사용하기 위한 적응성을 포함한다. 일부 실시예들은 금속 수소화물을 소결하여 핀 표면들로부터의 금속 수소화물의 좁은 거리를 생성하는 것에 의한 바와 같은 성형을 포함한다. 그러한 실시예들에 있어서, 금속 수소화물은 특히 열전도 접합제와 연계하여 압력을 사용함으로써 허브의 핀 구조의 둘레에 형성될 수 있다. 또 다른 실시예들은 고 전도도 분말 또는 금속 메시를 펠릿 또는 분말 중에 혼합하여 금속 수소화물의 전체적인 열전도도를 향상시키는 것을 포함한다.
또 다른 실시예들은 핀 구조를 갖는 고 열전도도 허브를 사용하여 금속 수소화물과 허브 사이의 열 접촉을 증진시키는 것을 포함한다. 도 8, 도 9, 및 도 10에 도시된 바와 같이, 핀들은 허브로부터 반경 방향으로 바깥쪽으로 연장되는 단순한 선형 형상들로 될 수 있다. 그러나 본 발명의 다른 실시예들은 그와 같이 한정되는 것이 아니라, 허브와 열 접촉하는 임의의 형상 또는 개수의 핀들을 고려하고 있다. 허브와 핀들의 횡단면 형상은 허브와 핀들의 제작을 위한 압출 또는 주조를 받을 수 있는 횡단면 형상인 것이 바람직하다.
또 다른 실시예들은 금속 열 슬리브를 사용하여 슬리브와 냉각관 사이 및 슬리브와 금속 허브 사이 모두의 접촉 저항을 감소시키는 것을 포함한다. 슬리브들은 접촉 저항을 감소시키도록 변형될 수 있는 것이 바람직하다. 일부 실시예들에 있어서, 슬리브의 길이의 일부를 따라 길이 방향 슬롯들이 절단된다. 또 다른 실시예들에서는, 허브와 슬리브의 외면 사이에 연질 가단 재료가 배치되어 접촉 저항을 감소시킨다.
일부 실시예들은 스토퍼를 사용하여 냉각관을 따른 모듈들의 원하는 배치를 용이하게 하는 것을 포함한다. 다른 실시예들은 열교환기가 U형 관의 사용으로 인해 열 팽창 및 열 수축을 수용할 수 있는 것을 포함한다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기 어셈블리(321)의 3차원 렌더링들을 제시하고 있다. 상기 어셈블리(321)는 열교환 모듈들(340)의 일렬로 정렬되어 적층된 어셈블리를 포함한다. 각각의 모듈(340)은 다수의 핀들(360)에 의해 상호 연결된 하나 이상의 허브들(350)과 외부 연결 링(368)으로 이루어진 플레이트(349)를 포함한다. 각각의 플레이트는 유동 매체에 열을 전달하는 중심 통로들(352.1, 352.2)을 포함하는 것이 바람직하다.
열교환기의 길이를 가로질러 단일 U형 냉각관(370)이 연장된다.그 길이에 걸쳐 120°마다 슬롯들을 각각 갖는 테이퍼진 콜렛(collet)(382)이 냉각관 상에 장착된다. 상기 콜렛은 중심이 최대 지름을 갖는 한편 양단이 보다 작은 지름을 갖도록 중앙으로부터 양단을 향해 연장되는 대향된 테이퍼를 갖는다. 단일 방향으로의 연속적 테이퍼와 대비하여, 그러한 양방향 테이퍼는 콜렛의 두께를 감소시키는 것을 돕는다. 각각의 열교환 플레이트(349)는 그 위치에 의존하여 콜렛의 테이퍼를 보완하는 테이퍼를 갖는다. 일부 실시예들에 있어서, 각각의 플레이트(349)는 그 허브들(350) 내에 중심 통로들(352)을 구비하고, 그 중심 통로들(352)은 슬리브(382)의 길이를 따라 특정 플레이트(349)의 위치에 적절하게 테이퍼진다. 이는 냉각관과 콜렛 사이는 물론 콜렛과 열교환 플레이트(349) 사이의 양호한 접촉을 제공한다. 이어서, 플레이트들을 한데 적층하여 양단에서 커버 플레이트들(341.2)로 밀폐한다. 콜렛의 각각의 단부 상의 나사들은 플레이트들을 축 방향으로 서로 맞대어 압축해주고, 콜렛 너트를 조임으로써 반경 방향으로 콜렛에도 맞대어 압축해준다. 이어서, 얇은 금속 슬리브(341)를 어셈블리 위로 슬라이딩시켜 환경으로부터의 부가의 밀폐 및 흩어진 수소화물의 격납을 제공한다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 스택(321) 내의 개별 플레이트들(349)은 압출될 수 있는 핀들(360)과 하나 이상의 허브들(350)의 패턴을 구비하는 것이 바람직하다. 각각의 플레이트(349)는 비록 본 발명의 여러 플레이트가 용인 가능한 열전도를 갖는 임의의 재료의 사용을 고려하고 있기는 하지만 알루미늄과 같은 재료로 압출되는 것이 바람직하다. 또한, 스택(321)은 원통형 어셈블리를 형성하도록 배열된 다수의 압출 플레이트들(350.1)을 포함하는 것이 바람직하지만, 본 발명의 다른 실시예들은 핀들(360.1)과 하나 이상의 허브(350)를 구비한 단일 압출 원통형 형상으로 이뤄진 모듈(340)과 같은 열교환 모듈을 포함한다.
도 12를 참조하면, 열교환 모듈들(340)의 스택(321)은 각각 허브(350)에 의해 한정된 중심 통로(352)를 통해 연장되는 한 쌍의 테이퍼진 슬리브들(382)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 각각의 플레이트(350.1)는 각각의 허브(350) 내에 각각 한정된 유입 통로(352.1)와 유출 통로(352.2)를 포함한다.
모듈 스택(321)은 각각의 테이퍼진 슬리브(382)를 통해 연장되고 각각의 테이퍼진 슬리브의 안지름과 밀착하는 관 어셈블리(370)를 더 포함한다. 일 실시예에 있어서, 관 어셈블리(370)는 유입 유로를 유출 유로에 연결하는 "U"형 연결부를 일단에 포함하지만, 본 발명의 다른 실시예들은 단일 직통 냉각로를 고려하고 있고, 또한 다수의 직통 냉각로들을 고려하고 있다.
모듈 스택(321)은 다수의 모듈들(340)의 원통형 어셈블리의 각각의 단부에 각각 위치한 한 쌍의 커버 플레이트들(341.2)을 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 그 커버 플레이트들은 탈장 동안 가스 수소가 확산해 들어가는 포켓들을 제공한다. 다른 실시예들에 있어서, 그 커버 플레이트들은 O-링들이 삽입되어 스택(321)으로부터 벗어나는 분말 수소화물의 물리적 이동을 최소화하는 시일(seal)을 얻을 수 있게 하는 홈들을 포함한다. 스택(321)은 냉각 핀들(360)의 단부들을 상호 연결하는 원주 링(368)에 걸친 압력 차가 적거나 아예 없도록 그 전체가 압력 용기 내에 포함되는 것이 바람직하다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 각각의 열교환기 어셈블리(340)는 플레이트(350.1) 및 각각의 포켓(346) 내에 위치한 다량의 금속 수소화물을 포함하는 것이 바람직하다. 간단히 하기 위해, 도 12 또는 도 13에는 금속 수소화물이 도시되어 있지 않다. 일 실시예에 있어서, 포켓들(346)은 또는 각각의 플레이트(350.1)는 플레이트들(350.1)의 스택이 서로 마주보고 밀착하여 놓인 후에 자유 분말 수소화물로 채워진다. 그러나 본 발명은 그와 같이 한정되는 것이 아니라, 임의의 방법으로 수소화물을 포켓(346) 내에 배치하는 것을 고려하고 있다.
도 13a를 참조하면, 플레이트(350.1)는 핀으로부터 포켓의 중심까지의 가장 먼 거리가 약 20 밀리미터를 넘지 않도록, 그리고 일부 실시예들에서는 15 밀리미터를 넘지 않도록 구성 및 배열된 핀들의 패턴(360.1)을 포함한다. 그러한 이격을 얻으려면 패턴(360.1)이 1차 및 2차 핀들(362, 364)을 각각 상호 연결하는 한 쌍의 노드 점들(366)을 포함하여야 하는 것으로 판명되었다. 도 13a는 중심 통로들(352.1, 352.2)을 통해 연장되는 수평 중심선을 중심으로 대칭으로(핀 패턴(360.1)에 따라) 배치된 2개의 노드 점들(366)을 나타내고 있다. 각각의 노드 점(366)은 2차 핀(364)을 한 쌍의 1차 핀들(362)에 상호 연결한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 1차 냉각 핀은 허브(350)와 직접 접촉한다. 2차 핀은 허브와 접촉하지 않는 대신, 다른 2차 핀들 또는 1차 핀들에 연결된다. 핀 패턴(360.1)은 한 쌍의 노드 점들(366)과 한 쌍의 2차 핀들(364)을 포함하는 것을 알 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 테이퍼진 슬리브(382)가 도시되어 있다. 그 테이퍼진 슬리브(382)는 슬리브의 단부를 사이에 최대 바깥지름을 갖는 양방향 테이퍼(384)를 포함하고, 그 최대 지름으로부터 더 작은 바깥지름까지 나사 단부들(389) 쪽으로 테이퍼진다. 도 14에 도시된 바와 같이, 테이퍼진 슬리브(382)는 중심에서 최대 바깥지름을 갖지만, 본 발명은 그와 같이 한정되는 것이 아니라, 최대 바깥지름이 슬리브(382)의 길이를 따른 그 어느 곳에도 놓이는 양방향 테이퍼를 고려하고 있다. 또한, 다른 실시예들은 그 최대 바깥지름이 나사 단부(389)에 인접하고, 슬리브의 타단에 있는 최소 바깥지름까지 연장되는 테이퍼진 슬리브를 고려하고 있다. 또한, 나사 단부들(389)는 너트와 같은 암나사 커넥터와의 결합에 사용될 수 있지만, 본 발명은 그와 같이 한정되는 것이 아니라, 슬리브(382)의 길이를 따라 놓인 플레이트들(349)의 스택에 압축을 가하는데 다른 장치들을 사용하는 실시예들을 고려하고 있다.
슬리브(382)의 양방향 테이퍼는 그 슬리브가 특정 테이퍼에 대해 단방향 테이퍼를 갖는 다른 슬리브보다 더 작은 최대 바깥지름을 가질 수 있게 한다. 단방향으로 테이퍼진 슬리브의 경우, 동일한 양의 테이퍼는 도 14에 도시된 양방향으로 테이퍼진 슬리브의 중심에서의 바깥지름의 약 2배인 바깥지름을 생기게 한다.
슬리브(382)는 슬리브의 길이를 따라 배치된 다수의 슬롯들(384,1)을 포함한다. 그러한 슬롯들은 슬리브의 횡단면 특성들 중의 압축 강성의 국부적인 약화를 제공한다. 따라서 플레이트들(350.1)이 슬리브의 일단으로부터 중앙 쪽으로 슬리브 상에 적층됨에 따라, 나사 단부(389) 상에 패스너를 체결하여 조이면 플레이트들의 조립된 스택이 압축 상태에 놓여 플레이트들의 허브가 슬리브의 테이퍼진 바깥지름 부분을 압축하게 된다. 그와 같이 플레이트 허브(350)의 안지름 부분이 슬리브(382)의 바깥지름 부분에 맞대어 압축됨으로써, 슬롯들을 따라 슬리브의 국부적인 변형이 일어나게 되고, 그에 따라 슬리브 안지름 부분이 슬리브 바깥지름 부분과 밀착하게 되어 열 접촉 저항의 감소가 얻어지게 된다.
열교환기(320)를 충전하는 과정은 다음과 같다. 이미 활성화된 금속 수소화물은 공기와 습기에 대한 반응성이 높다. 따라서 충전 과정은 박스 내의 아르곤의 불활성 분위기 중에서 수행된다. 열교환기 플레이트들을 6개 내지 8개의 그룹을 지어 수직으로 적층할 수 있다. 플레이트들을 강건한 베이스에 고정한 후에, 금속 수소화물 분말을 포켓들에 붓고 원하는 양의 분말이 충전될 때까지 다이(포켓의 형상으로 된)를 사용하여 다질 수 있다. 열교환기의 모든 플레이트들이 충전될 때까지 그 과정을 계속한다.
비활성화된 금속 수소화물 분말을 열교환기에 충전한 후에 상기 분말을 활성화할 수 있다. 또한, 금속 수소화물 분말을 열교환기 핀들의 형상으로 소결함으로써 양자 간의 접촉을 증대시킬 수 있다. 열교환기의 각각의 단부에 필터 페이퍼를 배치하여 금속 수소화물을 밀봉하면서도 여전히 수소 가스가 흐를 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 열교환기의 각각의 단부에 작은 다공질 디스크를 배치하는 것도 바람직하다. 이는 수소 가스에 대한 디퓨저 플레이트로서 작용하여 수소 가스가 유입구로부터 열교환기의 모든 포켓들로 확산하는 것을 돕는다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈 스택(421)의 사진이다. 상기 모듈(421)은 대략 스택의 중앙에 배치된 압축성 중간 플레이트(436)를 포함한다는 점을 제외하고는 모듈(321)과 유사하다. 플레이트들(449)이 한 쌍의 테이퍼진 슬리브들(482)(도 15에는 도시되지 않음) 상에 놓임에 따라, 한 쌍의 나사 너트들(490)(도 15에는 도시되지 않음)에 의해 플레이트들을 서로 압축하고, 또한 테이퍼진 슬리브들의 바깥지름 부분에 맞대어 압축한다. 너트들을 체결하여 조임에 따라, 플레이트들(449)이 테이퍼진 슬리브들의 외면을 따라 슬라이딩 이동하고, 그러한 축 방향 이동에 의해 중간 플레이트(436)의 압축이 일어나게 된다.
중간 플레이트(436)는 플레이트들(449)의 조립된 스택 내에서 압축을 유지하면서도 축 방향으로의 열 팽창과 열 수축을 더 허용하는 수단을 제공한다. 중간 플레이트(436)는 플라스틱 재료 또는 엘라스토머 재료와 같은 탄성 재료로 제작되는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명은 이와 같이 한정되는 것이 아니라, 알루미늄 또는 다른 금속으로 제작되지만 축 방향으로의 이동을 허용하도록 정향된 하나 이상의 스프링 부재들을 구비한 중간 플레이트를 또한 고려하고 있다. 일례로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 중간 플레이트는 하나의 링이 다른 링에 의해 안내되고 물결형 스프링(wavy spring)과 같은 스프링 또는 다수의 코일 스프링들이 원주 둘레에 배치된 한 쌍의 링들을 고려하고 있다. 일례로, 그러한 중간 플레이트 어셈블리의 하나의 링은 축 방향으로 배열된 안내 핀들에 의해 또는 다른 링의 연장된 안내면을 따라 걸터앉는 안지름을 갖는 하나의 플레이트를 구비함으로써 다른 플레이트 상으로 안내될 수 있다. 그러한 스프링 하중이 걸린 링들의 어셈블리도 역시 조립된 스택을 압축 상태로 유지하면서 축 방향 열 팽창 및 열 수축을 허용하는 수단을 제공한다.
도 15에서는, 기계 가공된 모든 열교환기 플레이트들이 적층되고 볼트에 의해 한데 조여져 열교환기를 형성한다. 일 실시예에 있어서, 콜렛의 각각의 측에 20개씩 총 40개의 플레이트들이 있다. 중앙에는 테프론으로 제작된 플레이트(436)가 있다. 굴요성이 있고 쉽게 압축될 수 있는 테프론은 열교환기 플레이트들의 테이퍼들과 콜렛 사이의 불합치들을 감소시키고, 조립된 스택이 팽창 및 수축함에 따라 더 좋은 열 접촉을 제공하는 역할을 한다.
도 16 내지 도 20은 본발명의 여러 실시예들에 따른 열교환기 핀 망의 각종 설계들을 나타내고 있다. 핀들(리브들)의 위치 및 두께는 특히 300 초와 같은 수소 가스의 짧은 충전 시산을 유지하기 위해 상이한 금속 수소화물 분말의 특성들에 따라 변경될 수 있다. 설계의 일부 특징들은 핀들이 플레이트와 냉각관의 계면으로부터 시작하는 것을 포함한다. 이는 높은 열전달 속도를 얻는 것을 돕고, 기계적 강도도 증가시킨다. 일부 실시예들은 포켓 크기들이 냉각관에 대한 위치에 따라 변하는 것을 포함한다. 일반적으로, 냉각관에 더 가까운 포켓들은 냉각관으로부터 떨어진 포켓들보다 더 크다. 이는 큰 크기의 열교환기를 설계할 때에 요긴하다. 또 다른 실시예들은 모든 핀들이 냉각관과 외부 테두리를 상호 연결하는 것을 포함한다. 상기 외부 테두리는 분말을 열교환기 내에 격납하는 것을 돕고, 부가의 열전달 경로로서의 역할도 한다.
도 16, 도 17, 도 18, 도 19, 및 도 20은 본 발명의 상이한 실시예들에 따른 각종 반쪽 단면 패턴들을 나타내고 있다. 일반적으로, 그 형상들은 각각 그들이 2차원 형상이라는 점에서 압출될 수 있다. 그들 각각은 2개의 중심 통로들(X52.1 또는 X52.2) 중의 어느 하나로부터 반경 방향으로 연장되는 다수의 1차 핀들(X62)을 보이고 있다. 또한, 일부 패턴들(X60.1)은 1차 핀처럼 중심 통로와 접촉하지 않는 하나 이상의 2차 핀(X64)을 포함한다. 또한, 2차 핀들은 노드 점(X66)에 의해 1차 핀 또는 다른 2차 핀과 결합한다. 도 16c는 외부 링(41)(도 16a에 도시된 격납 링(541a)과 같은)을 포함하지 않는 패턴(560.1c)을 나타내고 있다. 도 16b는 그 어느 핀들(560b)보다도 현저히 더 얇은 격납 링(541b)을 나타내고 있다. 또한, 도 16b는 인접 리브(562b')의 두께의 약 절반인 2개의 1차 핀들(562b")을 구비하는 것으로 도시되어 있다.
도 17a의 핀 패턴(660.1a)은 격납 링(641a)의 한쪽의 지점으로부터 링(641a)의 다른 쪽의 면대칭 지점까지 연장되는 4개의 2차 핀들(664a)을 구비하고, 2개의 1차 핀들(662a)과 4개의 2차 핀들(664a)의 접합점인 중앙 노드 점(666a)을 포함하는 것을 알 수 있다. 또한, 모든 핀 패턴들(660.1)에서, 그에 의해 형성된 포켓들이 대략 삼각형 형상으로 되는 것을 알 수 있다.
도 18b 및 도 18d는 해당 중심 통로(752b, 752d)와 대략 동심상으로 된 2차 핀들(764b, 764d)을 각각 포함한다. 도 18, 도 19, 및 도 20에 도시된 각각의 핀 패턴은 해당 중심 통로들의 중심점들을 잇는 선과 평행하게 좌측으로부터 우측으로 연장되는 동일선상의 2차 핀들의 하나 이상의 배열(각각 764, 864, 964)을 더 포함한다. 도 18a, 도 18b, 도 19a, 도 19b, 도 20b, 도 20c, 및 도 20d는 전술된 2차 핀들의 동일선상 배열과 거의 평행한 2차 핀들(X64)의 대략 동일선상의 제2 배열을 더 포함한다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기(1020)의 개념도를 나타내고 있다. 앞서 논한 사상들을 더 많은 금속 수소화물 및 냉각관들을 수용하는 더 큰 크기로 확장한다. 이러한 설계에서는, 단일의 중심 냉각 라인으로부터 다수의 냉각관들이 분기되어 나온다. 그것은 다중 유입구들 및 유출구들의 복잡성과 비용을 최소화하는 것이다. 다수의 관들로 인해, 단일 압력 용기에서 수소화 동안 더 많은 양의 금속 수소화물이 냉각될 수 있게 된다. 그것은 압력 용기들의 수를 줄여준다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 컨테이너 시스템(1020)의 사시도이다. 그러한 어셈블리(1020)는 전체적으로 직선 관통 유로(32)로 냉각제 유출구(1032.2)와 연통하는 냉각제 유입구(1032.1)를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 단일 중앙 유입구(1032.1)는 압출 모듈(1040.1)의 허브들을 통해 연장되는 다수의 다중 냉각관들(1070)로 분기된다. 그러한 다중 관들은 어셈블리(1020)의 타단에서 다기관으로 한데 모여 유출구(1032.2)로부터 유출된다. 또한, 본 발명의 다른 실시예들은 냉각제가 유입구로 들어와 유출구로부터 나가기 전에 한 번 이상 축 방향의 앞뒤로 지나가도록 다수의 U형 연결부들이 배열된 내부 냉각관들을 고려하고 있다.
첨부 도면들 및 전술된 설명에서 본 발명을 예시 및 기술하였으나, 그것은 본질상 예시적인 것으로 여겨져야지 한정적인 것으로 여겨져서는 안 되고, 단지 바람직한 실시예들만이 도시 및 설명되었지만 본 발명의 사상 내에 속하는 모든 변경들 및 수정들 또한 보호하고자 함을 이해해야 할 것이다.

Claims (23)

  1. 매체와 물질 사이에 열을 교환하는 장치로서,
    열교환 매체를 수용하는 제1 포트 및 열교환 매체를 복귀시키는 제2 포트와 상기 포트들 사이의 유로를 구비하고, 내부를 한정하는 압력 용기; 및
    상기 내부 내에 있고, 상기 유로와 각각 유체 연통하는 다수의 열교환 모듈들을 포함하고, 각각의 열교환 모듈은
    중심부를 통해 각각 연장되고 각각의 내벽이 테이퍼진 제1 및 제2 통로들을 갖는 상기 중심부 및 중심부로부터 바깥쪽으로 연장되고 상기 물질이 그 외부와 열적으로 연통하는 다수의 핀들을 구비하는 허브; 및
    테이퍼진 외부를 각각 갖고 상기 통로들 중의 상이한 하나에 각각 수납되는 한 쌍의 슬리브들을 포함하되,
    상기 유로는 상기 슬리브들을 통해 연장되는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 슬리브는 그 슬리브를 통로에 삽입하는 동안 변형하여 각각의 통로의 내부에 꽉 끼워 맞춰지도록 구성 및 배열되는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 통로는 슬리브를 그 통로에 삽입하는 동안 변형하여 각각의 슬리브의 외부에 꽉 끼워 맞춰지도록 구성 및 배열되는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환 모듈은 한 쌍의 패스너들을 더 포함하고, 각각의 패스너는 허브와 슬리브 중의 하나와 결합하고 허브와 슬리브 중의 다른 하나에 맞대어지며, 각각의 패스너는 허브에 대해 슬리브에 힘을 인가하여 테이퍼진 내벽을 테이퍼진 외부에 맞대어 조이는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 포트로부터 다수의 상기 제2 슬리브들을 통해 연장되는 관을 더 포함하고, 상기 유로는 상기 관을 통해 있는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 내에 배치되어 압력 용기 내에서의 상기 물질의 이동을 최소화하는 격납 용기를 더 포함하되, 상기 열교환 모듈들은 상기 격납 용기 내에 위치하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 용기는 그 압력 용기에 걸쳐 약 100 바(bar)를 넘는 압력 차가 놓이도록 가스로 가압되는 장치.
  8. 압축 가스를 담는 장치로서,
    열교환 매체를 수용하는 제1 포트 및 열교환 매체를 복귀시키는 제2 포트와 그 포트들 사이의 유로를 구비하고, 내부를 한정하며, 상기 내부 내외로 가스를 유동시키는 제3 포트를 포함하는 압력 용기; 및
    상기 내부 내에 있고, 상기 유로와 각각 유체 연통하는 다수의 열교환 모듈들을 포함하고, 각각의 열교환 모듈은
    중심부로부터 바깥쪽으로 연장되는 다수의 열교환 핀들을 구비하고, 상기 제1 포트와 유체 연통하는 제1 통로 및 상기 제2 포트와 유체 연통하는 제2 통로를 포함하는 허브; 및
    상기 핀들을 대략 둘러싸는 형상으로 성형된 가스 흡수 고체 물질을 포함하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 물질은 상기 모듈이 냉각될 때에 가스를 흡수하고, 상기 모듈이 가열될 때에 가스를 방출하는 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 물질 및 상기 흡수되는 가스는 금속 수소화물인 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 형상은 대략 상기 핀들과 합치하는 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 각각의 열교환 모듈은 압력 용기 내에서의 상기 물질의 이동을 최소화하기 위해 상기 물질을 둘러싸는 격납 용기를 더 포함하는 장치.
  13. 냉각제와 열을 교환하는 장치로서,
    최외곽 벽, 외면과 내면을 갖는 하나 이상의 허브, 및 허브로부터 최외곽 벽까지 연장되는 다수의 핀들을 포함하고, 상기 허브의 외면과 상기 다수의 핀들이 압출될 수 있는 패턴으로 배열되며, 상기 허브의 내면이 각도를 두고 테이퍼지는 열교환 몸체;
    외면과 내면을 갖고, 외면이 상기 허브의 각도와 대략 동일한 각도로 테이퍼지는 슬리브; 및
    상기 슬리브의 내면 내에 수납되고, 냉각제의 유로를 제공하는 대략 원통형의 관을 포함하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 열교환 몸체는 제1 몸체이고, 상기 장치는
    최외곽 벽, 외면과 내면을 갖는 하나 이상의 허브, 및 상기 허브로부터 최외곽 벽까지 연장되는 다수의 핀들을 포함하고, 상기 허브의 외면과 상기 다수의 핀들이 압출될 수 있는 패턴으로 배열되며, 상기 허브의 내면이 각도를 두고 테이퍼지는 제2 열교환 몸체를 더 포함하되,
    상기 슬리브는 2개의 단부들을 갖고, 그 외면은 양방향으로 테이퍼지며, 상기 외면은 2개의 단부들의 중간에 있는 위치에서 최대이고 그 중간 위치로부터 각각의 단부 쪽을 향한 방향들로 테이퍼지는 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 열교환 몸체는 제1 몸체이고, 상기 장치는
    최외곽 벽, 외면과 내면을 갖는 하나 이상의 허브, 및 상기 허브로부터 최외곽 벽까지 연장되는 다수의 핀들을 포함하고, 상기 허브의 외면과 상기 다수의 핀들이 압출될 수 있는 패턴으로 배열되며, 상기 허브의 내면이 각도를 두고 테이퍼지는 제2 열교환 몸체; 및
    압축될 수 있게 변형 가능한 플레이트를 더 포함하되,
    상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체는 상기 슬리브 상에 직렬로 배열되고, 상기 플레이트는 상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체 사이에 위치하는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체 사이에서 탄성적으로 압축되는 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 플레이트는 슬라이딩 맞물림 상태에 있는 제1 및 제2 링들의 어셈블리이고, 상기 장치는 상기 제1 링을 상기 제2 링으로부터 떨어뜨려 편향시키는 하나 이상의 스프링을 더 포함하는 장치.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 슬리브의 일단에서 상기 슬리브와 결합하고 상기 일단과 상기 열교환 몸체의 일면 사이에 결합하는 압축될 수 있게 변형 가능한 플레이트를 더 포함하는 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 슬리브의 일단은 리지(ridge)를 포함하고, 상기 슬리브를 상기 플레이트와 결합하는 것은 상기 플레이트를 리지에 맞대어 기대는 것에 의해 이루어지는 장치.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 열교환 몸체는 길이를 갖고, 상기 슬리브의 길이는 상기 몸체의 길이와 대략 동일한 장치.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 허브의 내면의 횡단면 형상은 상기 슬리브의 외면의 횡단면 형상과 보완적인 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 허브의 내면은 원추형이고, 상기 슬리브의 외면도 원추형인 장치.
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 다수의 핀들은 그들 사이에 다수의 대략 삼각형의 포켓들을 한정하는 장치.
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