◆출원일자 2003년10월23일             ◆공고일자 2005년11월25일
◆출원번호 10-2003-0074369           ◆특허권자 한국생산기술연구원
◆발명자 윤재호/ 권오경/ 김종하/ 김정욱/ 김학근

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 요약

본발명은 화학식 열펌프의 반응기로서, 진공환경이 조성된 내부로 고체흡착제(S)가 충진되며 기체증기가 흡입되는 챔버하우징(1)과, 일끝단이 폐쇄된 상태로 상하방향을 따라 상기 챔버하우징(1) 내로 삽입되는 한쌍의 제1 및 제2 메인파이프(5a,5b)와, 말단이 폐쇄된 상태로 상기 제 1 및 제 2 메인파이프(5a,5b) 각각의 측방으로부터 높이를 달리하도록 수직분지되어 서로 대방향을 향해 나란하게 대면되는 다수의 제1 및제2 서브파이프(7a,7b)와, 상기다수의 제1 및 제2 서브파이프 7a,7b)를  층별로 연결하는 다수의 연결튜브(9)를 포함하는 열교환기와, 상기 서로 대면하는 제 1 및 제 2 서브파이프(7a,7b) 사이로 수가 나란하게 개재되는 판 상의 핀(11)을 포함하는 것을 특징으로하는 화학식 펌프의 반응기를 제공한다.

■ 발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래 기술


본 발명은 화학식 열펌프의 반응기에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 열교환기가 내장된 화학 반응식 또는 흡착식 열펌프의 반응기에 있어서 목적하는 반응속도를 크게 향상시킴과 동시에 반응열을 보다 쉽고 효율적으로 취할 수 있는 화학식 열펌프의 반응기에 관한 것이다.
열펌프란 저온열원으로부터 고온열원으로 열을 전달하는 장치로서, 열기관 사이클과 반대로 작용하여 저온물체에서 열을 빼내 고온물체로 방출한다.


이에 마치 보통의 액체용 펌프가 낮은 곳에서 높은 곳으로 유체를 끌어올리는 것과 유사하여 상기한 명칭으로 불리는데, 특정계의 냉각과 가열이 모두 가능하므로 일상의 냉난방 분야에 널리 응용되고 있다.
즉, 열펌프는 통상 물 등의 냉매 계통(冷媒系統)의 절환에 의해 여름에는 냉매를 배열물(排熱物)로 하여 냉방에 이용하고, 겨울에는 상기 냉매를 흡열원(吸熱源)으로 하여 난방에 사용한다.
이때 열 펌프는 작동원리에 따라서 크게 기계적 열펌프와 화학식 열펌프로 구분될 수 있고, 특히 화학식 열펌프는 흡착식과 화학반응식 그리고 흡수식으로 세분화된다.


이중 현재 상용화되어 있는 화학식 열펌프의 대표적인 일례라 할 수 있는 흡착식 열펌프는 여타의 방식과 비교해서 저등급의 열원을 유효하게 사용할 수 있고, 가동 부분이 소형이므로 운전 소음 및 운전경비가 적게 소요되며, 프레온을 사용하지 않아 환경오염의 유발가능성이 적은 유리함을 가지고 있다.
이에 500평 미만의 업무시설, 판매시설, 연구소, 숙박시설, 기숙사, 호텔, 병원, 대중 목욕탕, 수영장 및 일반 건축물의 냉난방 분야에 주로 활용되는데, 간략하게는 기체분자가 고체 표면으로 흡착 및 탈착될 때 수반되는 반응열을 이용한다.


좀더 구체적으로, 일반적인 흡착식 열펌프는 열교환기가 내장된 내부로 실리카겔, 제오라이트, 활성탄, 활성알루미나 등의 고체흡착제가 충진된 반응기 그리고 물이나 알콜 등의 기체증기를 처리하기 위한 증발기와 응축기를 포함한다.
따라서 증발기에서 발생된 기체 증기가 반응기로 흡입되어 그 내부의 고체흡착제와 수화발열반응을 일으키고, 이때 발생된 반응열은 열교환기 내부를 순환하는 냉매를 가열하여 난방이나 급탕에 활용되도록 한다.


그리고 반응기가 장시간 구동하여 고체 흡착제에 기체증기가 포화 흡착된 경우에는 응축기 등에서 발생된 폐열 또는 외부의 별도 열원에서 얻
어진 열을 고체흡착제에 가하여 탈수흡열반응을 유도함으로서 재생시킨다.
이때 상기와 같은 수화발열반응과 탈수흡열반응이 교대로 번갈아 진행될 수 있도록 통상 한 쌍의 반응기가 서로 반대되는 동작을 행할 수 있다.
또한 화학식 열펌프의 다른 종류인 화학반응식 열펌프 또한 작동원리 및 구조가 상술한 흡착식과 유사한데, 다만 두 개의 반응기 안에 각각 액체 또 는 고체의 반응물이 채워지고, 이들 반응물들은 상기 두 반응기 사이를 왕복하는 기체 증기와 반응하여 열을 저온부에서 고온부로 이동시킨다.


하지만 종래의 화학반응식이나 흡착식 열 펌프의 반응기는 목적하는 화학반응이 기민하게 발생되기 어려워 반응속도가 다소 떨어지며, 이에 따라 반응열을 효과적으로 운용하기 힘든 단점을 가지고 있다.

또한 흡착식의 경우에는 고체흡착제의 재생을 위한 탈수흡열반응의 속도와 반복성이 다소 저하되는 단점을 나타내는 바, 보다 효율적인 반응기가 절실하게 요구되고 있는 실정이다.


■ 발명이 이루고자 하는 기술적 과제


이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 목적하는 반응속도를 크게 향상시킴과 동시에 반응열을 보다 쉽게 취할 수 있는 화학반응식이나 흡착식 열펌프의 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 흡착식 열펌프의 반응기의 경우에 특히 고체흡착체의 재생속도와 반복성이 뛰어나 최적의 전열 촉진을 얻을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.


■ 발명의 ¸구성 및 작용


상기와 같은 목적을 달성하기 위한 화학식 열펌프의 반응기로서, 진공 환경이 조성된 내부로 고체흡착제가 충진되며 기체증기가 흡입되는 챔버하우징과 일 끝단이 폐쇄된 상태로 상하 방향을 따라 상기 챔버하우징 내로 삽입되는 한 쌍의 제 1 및 제 2메인파이프와, 말단이 폐쇄된 상태로 상기 제 1 및 제 2 메인파이프 각각의 측방으로부터 높이를 달리하도록 수직분지되어 서로 반대방향을 향해 나란하게 대면되는 다수의 제 1 및 제 2 서브파이프와, 상기 다수의 제 1 및 제 2 서브파이프를 각 층별로 연결하는 다수의 연결튜브를 포함하는 열교환기와 상기 서로 대면하는 제 1 및 제 2 서브파이프 사이로 다수가 나란하게 개재되는 판 상의 핀을 포함하는 화학식 열펌프의 반응기를 제공한다.


이때 상기 각각의 핀 일면에 밀착되도록 소정형상으로 절곡되어 고온의 유체가 순환되는 다수의 히팅파이프를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 다수의 핀은 각각 상기 연결튜브에 의해 관통되어지도록 상기 서로 대면하는 다수의 제1 및 제 2 서브파이프와 평행하게 개재되거나 또는 상기 각 연결튜브에 타면이 밀착되도록 상기 서로 대면하는 다수의 제 1 및 제 2 서브파이프를 연결하는 것을 특징으로 하며, 이 경우 상기 각각의 핀 일면에 밀착되도록 소정형상으로 절곡된 다수의 히팅파이프를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.


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또한 상기 제 1 및 제 2 메인파이프와 상기 제 1및 제 2 서브파이프의 외경은 서로 동일하고, 상기 핀 사이의 간격은 0.1L/D 10 사이에 있는 것을 특징으로 하는 바, 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
이때 본 발명에 따른 화학식 열펌프의 반응기는 특히 후술하는 히터의 유무에 따라서 화학반응식 또는 흡착식에 각각 사용이 가능한 것을 특징으로 하는데, 설명의 편의상 흡착식의 경우를 먼저 설명한다.
이에 첨부된 도 1a는 본 발명에 따른 흡착식 열펌프 반응기의 내부구조를 도시한 사시도이고, 도 1b는 도 1의 A-A' 선을 따라 절단한 단면을 도시한 도면이다.

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도시된 바와 같이 본 발명에 따른 흡착식 열펌프 반응기는 고체흡착제(S)가 충진된 챔버하우징(1) 그리고 이의 내부로 내장되어 서로 반대방향을 향하도록 나란하게 대면된 한 쌍의 헤더식 구조의 파이프군(3a,3b) 및 이들을 서로 연결하는 다수의 연결튜브(9)로 구성되는 열교환기와, 판 형상을 가지고 상기 한 쌍의 헤더식 구조의 파이프군(3a,3b) 사이로 개재되는 다수의 핀(11)과, 상기 각 핀(11)의 일면으로 밀착된 다수의 히팅파이프(13)를 포함한다.


좀더 자세히, 상기 챔버하우징(1)은 일반적인 흡착식 열펌프 반응기와 동일할 수 있는데, 별도로 표시되지는 않았지만 기체증기가 흡입될 수 있는 개구부가 저면에 형성되고 실리카겔, 제올라이트, 활성탄, 활성알루미나 등의 고체흡착제가 충진된 함체 형상을 갖는다.
이때 챔버하우징(1)은 일례로 도시된 바와 같이 원기둥형상을 가질 수 있는데, 고체흡착제(경우에 따라 고체 또는 액체반응물이 적용될 수 있음)가 충진된 내부 공간은 반응속도의 향상을 위해서 진공과 같은 격리환경이 조성되는 것이 바람직하다.


그리고 상기 챔버하우징(1)에 내장되는 열교환기는 한 쌍의 헤더식 구조의 파이프군(3a,3b) 및 이들을 연결하는 다수의 연결튜브(9)를 포함하는데, 이중 한 쌍의 헤더식 구조의 파이프군(3a,3b)은 각각 일 끝단이 폐쇄된 상태로 상하 방향을 따라 챔버하우징(1) 내로 삽입된 제 1 메인파이프(5a) 및 말단이 폐쇄된 상태로 상기 제 1 메인파이프(5a) 일 측방으로부터 동일방향을 향해서 높이를 달리하며 분지된 다수의 제 1 서브파이프(7a), 그리고 챔버하우징(1) 내로 삽입된 제 2 메인파이프(5b) 및 말단이 폐쇄된 상태로 상기 제 2 메인파이프(5b) 일 측방으로부터 동일방향을 향해서 서로 높이를 달리하며 분지되되, 특히 상기 다수의 제 1 서브파이프(7a)와 반대 방향을 향하는 다수의 제 2 서브파이프(7b)를 포함한다.


따라서 제 1 메인파이프(5a)와 다수의 제 1 서브파이프(7a), 그리고 제 2 메인파이프(5b)와 다수의 제 2 서브파이프(7b)는 각각 헤더식 구조를 갖는다
할 수 있으며, 이들 각 파이프군(3a,3b)은 서로 반대방향을 향하도록 챔버하우징(1)에 내장된다.
이때 특히 도시된 바와 같이 제 1 메인파이프(5a)는 챔버하우징(1) 상면으로부터 삽입될 수 있고 제2 메인파이프(5b)는 챔버하우징(1) 하면으로부터 삽입될 수 있는 바, 바람직하게는 상기 챔버하우징(1) 외부로 노출된 제 2 메인파이프(5b) 타단은 다시 상방으로 절곡되어 있다.
그리고 바람직하게는 제 1 및 제 2 메인파이프(5a,5b)와 제 1 및 제 2 서브파이프(7a,7b)의 외경(D)은 서로 동일할 수 있다.
또한 챔버하우징(1) 내부로는 이들 다수의 제 1및 제 2 서브파이프(7a,7b)를 각 층별로 연결하는 다수의 연결튜브(9)를 포함하여 열교환기를 구성하게 되는데, 제 1 메인파이프(5a) 타 끝단로부터 물 등의 냉매가 유입되면 제 1 서브파이프(7a) 및 연결튜브(9)와 제 2 서브파이프(7b)를 통해서 제 2 메인파이프(5b) 타 끝단으로 유출되는 순환 경로를 갖는다.


이에 챔버하우징(1) 내로 기체증기가 혼입되면 고체흡착제(S)와의 발열흡착반응을 일으켜 반응열이 발생되고, 이 반응열은 제 1 및 제 2 메인파이프(5a,5b), 제 1 및 제 2 서브파이프(7a,7b), 연결튜브(9)로 순환되는 냉매를 가열하게 되는 바, 이들은 구리나 알루미늄 등과 같이 열전도율이 큰 금속재질로 이루어지는 것이 바람직하다.


또한 본 발명에 따른 흡착식 열펌프 반응기는 고체흡착제(S)과 기체 증기의 흡착반응속도 및 이 과정에서 발생된 반응열의 열교환기로의 전달을 촉진하기 위해 판 형상의 핀(11)이 제 1 및 제 2 서브파이프(7a,7b) 사이로 다수가 나란하게 개재되는데, 이 역시 구리나 알루미늄 등과 같이 전도율이 큰 금속재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
이때 일례로 상기 다수의 핀(11)은 도시된 바와 같이 각 연결튜브(9)에 의해 관통된 상태로 서로 대면하는 다수의 제 1 및 제 2 서브파이프(7a,7b) 사이로 이들과 평행하게 다수가 개재될 수 있고, 특히 이들 각 핀(11)의 일면으로는 히팅파이프(13)가 밀착되어 있다.


상기한 히팅파이프(13)는 고체흡착제(S)로 기제증기가 포화 흡착될 경우에 상기 고체흡착제(S)의 재생을 위한 것인데, 이를 위해 그 내부로 고온의 유체가 흐르게 되며 각각 핀(11) 일면으로 밀착된 상태에서 도시된 바와 같이 지그재그 등의 소정 형상으로 절곡되는 것이 바람직하다.
따라서 히팅파이프(13)의 열은 각각의 핀(11) 전면적으로 고르게 전도되고, 이에 따라 핀(11)을 매개로 고체흡착제(S)를 효과적으로 가열할 수 있어 재생시간을 단축시킬 수 있다.


그리고 상기 핀(11)사이의 간격(L)은 상기 제 1 및 제 2 메인파이프(5a,5b), 제 1 및 제 2 서브파이프(7a,7b)의 외경(D)과의 관계에 있어서 0.1 L/D 10 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
한편, <도 2a> 및 <도 2b>는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 흡착식 열펌프 반응기의 형상을 나타낸 도면으로서, 특히 <도 2a>는 내부 구조를 나타낸 사시도이고 <도 2b>는 <도 2a>의 B-B' 선을 따라 절단한 단면을 나타낸 도면이다.
이때 상기한 도면은 중복된 설명을 피하기 위하여 앞서 설명한 <도 1a> 및 <도 1b>와 동일한 역할을 하는 동일부분에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였음을 밝혀둔다.


이 경우 연결튜브(9)는 도시된 바와 같이 서로 나란한 상태를 유지하며 제 1 및 제 2 서브파이프(7a,7b) 사이에서 이들과 직교하도록 배열되어 이들, 즉 상기 제 1 및 제 2 서브파이프(7a,7b)를 연결하는 구조를 가지고 있다.
그리고 이들 각 핀(11) 일면으로는 히팅파이프(13)가 밀착되어 지그재그 형상으로 절곡되어 있는 바, 흡착반응에서 고체흡착제(S)로부터 발생된 열은 핀(11)을 통해서 열교환기에 효과적으로 전달될 수 있고, 히팅파이프(13)로부터 발생된 열 또한 각 핀(11)을 매개로 열손실이 최소화된 상태로 열교환기에 전달된다.

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한편, 상기한 본 발명에 따른 흡착식 열펌프의 반응기는 각각 간단한 구조변경을 통해서 화학반응식 열펌프의 반응기로 사용 가능한데, <도 3>과 <도4>는 각각 이를 나타낸 도면이다.
즉, 주지된 바와 같이 화학반응식 열펌프의 반응기는 히터가 불필요하므로 상술한 흡착식 열펌프 반응기로부터 히터를 생략할 경우에 화학반응식 열펌프의 반응기로 사용이 가능한데, 특히 <도 3>은 <도 1a>에서 설명한 흡착식 열펌프의 반응기로 부터 히터를 생략하여 도시한 내부 사시도이고, <도4>는 <도 2a>에서 설명한 흡착식 열펌프의 반응기로부터 히터를 제거한 경우를 도시한 내부사시도이다.
이에 동일역할을 하는 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하여 중복된 설명을 생략하는 바, 첨부된 도면을 참조할 경우 당업자에게는 쉽게 이해될 수 있을 것이다.


■  발명의 효과


상기한 설명과 같은 본 발명의 화학식 열펌프 반응기는 챔버하우징 내로 내장된 열교환기가 각각 서로 대면하는 헤더식구조를 갖는 파이프군 및 이들을 연결하는 다수의 연결튜브를 포함하는 바, 기체증기와의 반응 속도를 크게 향상시킴과 동시에 반응열을 보다 쉽게 취할 수 있는 장점이 있다.


이때 특히 상기 한 쌍의 헤더식 구조의 파이프군 사이로 다수의 판 형상의 핀이 개재되므로 보다 향상된 효과를 얻을 수 있고, 특히 흡착식으로 사용될 경우에 이들 각 핀의 일면으로 다수의 히팅파이프를 밀착시켜 배열함으로서 고체흡착제의 재생 속도와 반복성을 크게 향상시키는 이점이 있다.

   
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