KR100344972B1 - 전자장비 함체의 수동공조시스템 설계법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에 열발생원인인 전자장비가 설치된 함체와, 함체의 일측에 설치되어 필요에 따라서 함체 내부를 방열하는 방열기와, 지하에 매설된 수조와, 상기 수조와 상기 함체의 내부를 연결하는 순환부를 갖는 전자장비 함체의 수동공조시스템의 설계에 있어서, 상기 수조의 저장용량은 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자장비 함체의 수동공조시스템 설계법에 대한 것이다.

여기서M ₁ 은 수조의 저장용량이며,Q _s 은 저장된 냉열이며, △T는 수조의 물의 온도차이며,C _p 는 물의 비열이다.

Description

전자장비 함체의 수동공조시스템 설계법{The design of method of passive conditioning system for electronic shelters}

본 발명은 동력을 사용하지 않고 열매체를 상변화시켜 열매체의 순환을 통해 전자장비 함체의 내부를 냉각시키는 수동공조시스템의 설계법에 관한 것으로서, 특히 일교차는 별로 크지 않으나 연교차는 비교적 큰 우리나라와 같은 나라나 지방에서 물의 상변화에 따른 잠열을 이용하여 전자장비 함체의 내부를 냉각시키는 수동공조시스템 설계법에 관한 것이다.

종래의 냉방시스템은 탄화수소 연료를 연소하여 전력을 발생하는 발전소로부터 전력을 공급받아 냉매를 순환하여 냉방시키는 것이었다. 이러한 종래의 냉방시스템은 많은 전력을 소모해야 한다. 또한, 종래의 냉방시스템은 탄화수소 연료의 연소로 인해 대기공해의 원인이 되었다.

또다른 종래의 수동공조시스템 중에 하나는 전자장비 등의 함체의 냉각 요구량을 땅속에 파이프나 탱크를 묻어 지하의 냉열을 퍼올려서 쓰는 것이다. 그러나 이러한 종래의 수동공조시스템의 마른 흙의 열전도계수가 0.134W/m℃ 가량에 지나지 않으므로 지하의 온도가, 예를들어 15℃이고 땅속 깊이 묻은 직경 5미터의 원형 수조의 온도가 20℃이라고 하면 지열이 전달되는 열량은 전도형상계수가 2D(D는 직경)가 되므로 0.134×(20-15)×2×5 = 21.0W에 지나지 않는다. 따라서 이 정도의 냉각량으로는 일일부하를 감당하는 것이 불가능한 문제점이 있었다

본 발명의 목적은 일교차는 크지 않으나, 연교차가 큰 지방에서 물의 상변화에 따른 잠열을 이용하여 전자장비 함체의 내부를 무동력으로 냉각시키는 수동공조시스템 설계법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 대기오염을 야기하지 않는 전자장비 함체의 내부를 냉각시키는 수동공조시스템 설계법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 전자장비 등의 함체에 일일부하를 감당하기 충분한 양의 냉각량을 제공하는 수동공조시스템의 설계법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명이 적용되는 전자장비 함체의 수동공조시스템이 개략적으로 도시된 구성도.

*도면의 주요부분에 대한 간단한 설명

10: 수동공조시스템 12: 함체

14: 방열기 16: 순환부

18: 수조 20: 차페막

22: 전자장비 24: 순환로

26: 순환펌프

본 발명은 내부에 열발생원인인 전자장비가 설치된 함체와, 함체의 일측에 설치되어 필요에 따라서 함체 내부를 방열하는 방열기와, 지하에 매설된 수조와, 상기 수조와 상기 함체의 내부를 연결하는 순환부를 갖는 전자장비 함체의 수동공조시스템의 설계에 있어서, 상기 수조의 저장용량은 다음의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자장비 함체의 수동공조시스템 설계법에 대한 것이다..

여기서Mt은 수조의 저장용량이며,Q _s 는 저장된 냉열이며, △T는 수조의 물의 온도차이며,C _p 는 물의 비열이다.

또한, 본 발명은 수조의 직경이 다음의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자장비 함체의 수동공조시스템 설계법에 대한 것이다.

여기서 D는 수조의 직경이며, z는 지표면에서 수조의 중심까지의 깊이이며, k는 흙의 열전도계수이며, t는 1년인 3.15×10⁷초이며, T_t는 초기의 수조의 온도이며,은 연평균온도이다.

또한, 본 발명은 외부온도가 연중 최고치에 도달했을 때 가동하는 보조냉각장치를 더 가지며, 보조냉각장치는 유효 열전달 표면적이 다음의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자장비 함체의 수동공조시스템 설계법에 대한 것이다.

여기서 T_i는 수조에 저장된 냉수의 온도이며, △T는 보조냉각장치를 통과하고 난 뒤에 수온의 상승분이며,h _i 는 보조냉각장치의 열전달계수이며, T_max는 함체의 실내온도 최고허용치이며, q_max는 제거되는 함체 내부의 열량이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도1을 참조하면, 본 발명이 적용되는 전자장비 함체의 수동공조시스템(10)은 함체(12)와, 방열기(14)와, 순환부(16)과, 수조(18)와, 차페막(20)을 갖는다.

함체(12)는 내부에 열발생원인 전자장비(22)가 설치되어 있다.

방열기(14)는 함체(12)의 한쪽 측벽에 설치된다. 방열기(14)는 보통 때에는 냉각을 전적으로 담당하고 있다.

순환부(16)는 순환로(24)와, 순환펌프(26)를 갖는다. 순환로(24)는 함체(12)의 내부와 수조(18)와 연결되어 물이 순환되는 통로이다. 순환펌프(26)는 순환로(24)의 일부에 설치되어 순환로(24)로 물이 순환하는 동력을 공급한다.

수조(18)는 지하에 매설된다. 수조(18)의 크기는 대규모인 것이 바람직하지만, 가장 적당한 수조(18)의 크기는 아래에서 보다 상세히 설명한다.

차페막(20)은 함체(12)의 외부 위쪽에 설치된다. 차페막(20)은 함체(12)와 일체로 형성될 수도 있고, 조립식으로 함체(12)와 분리되어 형성될 수도 있다. 본 실시예에서는 차페막(20)만을 설명하였으나, 차페막(20)과 함체(12) 사이에 함체(12)와 일체를 이루는 두겹 또는 세겹의 스크린(도시하지 않음)을 설치할 수도 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전자장비 함체의 수동공조시스템(10)의 작동을 설명한다.

겨울에는 지하수조(18)의 물을 순환펌프(26)에 의해 순환로(24)를 따라 함체(12)의 내부로 펌핑되도록 하여 물을 냉각시킨다. 지하수조(18)에 저장된 물의 온도가 일정온도 이하로 내려가면, 순환펌프(26)의 작동을 중지한다.

또한, 보통때는 함체(12)의 측벽에 설치된 방열기(14)를 통하여 외부로 전자장비(22)에서 발생한 열을 흡수한다. 그러다가 연간 최고기온에 다다르는 여름의 며칠 간은 지하수조(18)의 냉수가 순환펌프(26)에 의해 순환로(24)를 따라 함체(12)의 내부로 펌핑된다. 지하수조(18)의 냉수가 함체(12)의 내부로 펌핑되면 함체(12)의 내부에 설치된 전자장비(22)에서 발생하는 열을 흡수하여 전자장비(22)를 냉방시킨다.

수동공조시스템(10)은 도 1에 도시하지 않은 보조냉각장치를 더 가질 수 있다. 보조냉각장치는 상기 수동공조시스템(10)만으로 함체(12)의 전자장비를 충분히 냉방할 수 없을 때 사용한다. 보조냉각장치의 크기는 아래에서 상세히 설명한다.

이하, 방열기(14)의 방열량과, 연간 총저장요구량과, 보조냉각장치의 크기와, 수조의 저장용량과, 수조의 크기를 구하는 방법을 각각 설명한다.

1.방열기의 방열량과 연간 총저장요구량을 구하는 방법

본 발명에 따른 수동공조시스템(10)의 설계법에서는 방열기(14)의 성능이 매우 중요하다. 방열기(14)의 성능은 함체(12) 내외부의 공기의 온도차가 1℃가 될 때에 얼마만한 열량을 방출하는가로 표현할 수가 있다. 즉, 방열기를 통하여 나가는 열전달량이 Q_main이라고 할때에,

가 된다. 여기에서T _r 은 실내온도,T _∞ 는 외부온도이며, K는 방열기(14)의 성능계수이다.

이러한 방열기(14)를 설치하였을 때에 실내온도의 최고허용치 T_max에 다다르는 외부온도T _s,∞ 를 구해보자. 에너지 보존법칙에 따라 함체(12)의 열정산은,

이 된다. 따라서, 외부온도T _s,∞ 은

이 된다(당연히T _s,∞ 〈 T _max 이다). 연간 외부온도가 이 값보다 높아지는 기간과 그 동안의 평균온도 및 평균부하량을 구할 필요가 있다. 그런데 이 기간 중에도 외부온도가T _max 보다도 높아지는 기간이 존재한다면 이 동안에는 방열기(14)를 작동시키면 오히려 열이 외부에서 유입된다. 따라서 이 기간에는 방열기(14)를 작동시킬 이유가 없으므로 냉각부하량의 표현이 달라지게 된다.

즉, 주어진 지역의 기후데이터로부터, 연간 외기온도가T _s,∞ 와T _max 사이에 있는 시간이 총 t₁초이고, 이 시간동안의 외기온도의 평균치가라고 하자. 또한T _∞ 〉T _max 인 시간이 총 t₂초이며 이 시간동안의 외기온도의 평균치가라고 하자. 그러면, t₁사이에, 보조냉각장치가 평균적으로 감당해야 할 냉방부하가 q₁이라고 하면,

이고, t₂사이에는 방열기를 가동하지 않으니까, 보조냉각장치의 냉방부하 q₂는,

이 된다. 따라서 연간 총열저장요구량 Q_s는,

가 된다.

예를 들어 T_max= 40℃이고, K=30W/℃라고 할때, 수학식 6에서 의해 외부온도는

된다. 따라서 외부온도가 30.9℃에서 40℃사이인 시간이 연간 총 100시간(360,000초)이고 이 기간동안 평균온도 ()가 34.0℃라고 하자. 또한, 외부온도가 T_max을 넘는 시간이 20시간(72,000초)이며, 그 기간동안의 평균온도가 42.0℃라고 하자. 수학식 7과 수학식 8에 의해,

따라서, 연간 총열저장요구량 Q_s는 수학식 9에 의해,

이 된다.

2.보조냉각장치의 크기를 결정하는 방법

보조냉각장치에 최대의 부하가 걸리는 경우는 외부온도가 연중 최고치로 올라가 있는 순간이다. 이때의 외부온도T_max,∞이 T_max보다 작다면, 보조냉각장치의 부하 q_max는,

이고, T_max,∞〉T_max라면,

이 된다. 이만한 열량이 보조냉각장치를 통하여 사라질 때에, 그 열전달계수가h _i 라고 한다면, 그 유효 열전달 표면적A _i 는 다음 수학식 16과 같이 구해진다.

여기서 T_i는 수조에 저장된 냉수의 온도이며, △T는 보조냉각장치를 통과하고 난 뒤에 수온의 상승분이다. 여기서 주의할 점은 T_i는 땅속의 온도가 연평균온도와 같다고 볼때, 한 여름까지 저장되어 냉각된 물의 온도 T_i는보다는 약간 높은 온도가 될 것이라는 것이다. 또한 보조냉각장치에서 되돌아가는 온도T _i +△T는T _max 보다 다소 낮아야 한다. 보조냉각장치에 들어가는 물의 양은 그 온도상승분이△T로 정확히 유지되도록 엄밀하게 제어되어야 한다.

또한h _i 는 다소의 강제대류를 한다고 보아(이 장치에서는 방열기에서 상당한 정도의 강제 통풍을 하고 있게 되므로 보조냉각장치에서도 강제대류를 하고 있다고 본다.) 그 풍속이V(m/s)이고, 바람과 평행한 방향으로 평판의 길이가 W(m)라고 하면,

이다.

예를 들면,T _max,∞ =45℃라고 하면, q_max는 수학식 15에 의해

이다.

다음으로, 보조냉각기에 풍속 3m/s를 평판 핀의 폭 W= 0.2m에 평행하게 붙어서 냉각을 시킨다고 할 때에, h_i는 수학식 17에서,

이다.

또한 T_i= 18℃ (연평균온도= 16℃라고 하자),△T=8℃로 만들어 둔다고 하면 (T_t+△T= 26℃로서 T _max 보다 낮다),수학식 16에 의해,

으로 주어진다.

3.수조의 저장용량을 구하는 방법

수조(18)의 저장용량을 결정하여 보자. 수조(18) 내의 물의 질량을M _t 라고 할 때에, 여기에 저장된 냉열은Q _s 와 같아야 하므로,

이므로(C _p 는 물의 비열로서 4,200J/Kg℃이다).

가 된다.

4.수조의 크기를 구하는 방법

상기의 수조(18)의 저장용량의 물이 지하에 초기온도T _t +△T의 온도에서 출발하여 일년간 지하에 저장되어 있을 때에T _t 까지 떨어지도록 수조(18)의 크기를 결정하는 방법을 설명한다.

수조(18)를 직경 D라고 하고 수조의 중심이 지표면에서 z만큼 깊이에 묻혀 있다고 하자. 이때에 z는 D/2보다 1 내지 2미터는 정도 커야 한다. 즉, 탱크의 윗부분이 지표면에서 1, 2 미터 정도의 깊이로 묻혀있어야 한다. 이때에 전도형상계수는이므로 , 매순간 준정상상태의 집중열용량계로 볼 수 있다고 하면,

이 된다. 여기에서 k는 흙의 열전도계수 (0.134W/m℃)이며, t는 일년 (3.15×10⁷초)이다.

이 공식을 D에 대하여 풀어내면,

의 결과를 얻는다. 여기서 우변의 D/z는 미리 적정한 값(1 이하)으로 가정해 넣는다.

이렇게 구해낸 수조(18)의 직경이 상기 수학식 22에서 구한 수조(18)의 물의 저장용량을 넣을 만큼 충분히 크다면 이 값을 그대로 사용한다(이때에 그 수조(18)는 완전히 다 물을 채워 넣는다). 수조(18)의 직경이 너무 작아서 수학식 22에서 구한 물을 다 넣을만하지 않다면 그만한 양의 물을 넣을 만한 크기로 증가시킨다.

대체로T _t 는보다 약간 높은 값이고,△T는 (T _max - )의 1/2근처의 값을 가진다. 수학식 22에서 알수 있다시피△T를 증가시키면 수조의 용량이 다소 작아지는데, 실제적으로△T를 크게 바꾸기는 어려우므로 수학식 24에 의해 구한 수조의 크기는 최소치라고 생각하는 것이 좋다.

만약 이 값보다 수학식 17로 구한 값이 지나치게 크다면 다음과 같은 조치를 취하여 본다. 즉,T ₁ 를에 너무 근접시켰다면(1℃ 이하), 이 값을 섭씨 몇 도가 되도록 다소 증가시켜본다. 그러면 수학식 24에서 구한 직경이 다소 감소하는데△T가 ( - )의 절반가량이 되어도 직경이 수학식 22에서 구한 값보다 커진다면 하는 수 없이 수학식 24에서 요구하는 크기의 수조를 쓰는 수밖에 없다. 만일 이러한 경우 수조의 크기가 비현실적으로 크다면 이 방식의 적용이 곤란한 경우임을 의미하는 것이다.

수학식 22에 의해 수조의 저장용량은

이다. D/z=1이 되도록 매설한다고 하면, 수학식 24에 의해

가 된다.

이만한 직경의 수조(18)로는 3,006Kg의 물이 다 들어가지 않으므로 직경을 2.67m 이상으로 늘려 내용적이 약 3 입방 미터정도가 되도록 만든다. 이렇게 만들면, 일년후의 수조(18)의 온도가 18℃보다 약간 더 내려가서 냉각에 근소한 도움을 더 주게 될 것이다.

본 발명은 일교차는 크지 않으나, 연교차가 큰 지방에서 물의 상변화에 따른 잠열을 이용하여 전자장비 함체의 내부를 무동력으로 냉각시킬 수 있다.

본 발명은 대기오염을 일으키지 않는 전자장비 함체의 내부를 냉각시킬 수 있다.

본 발명은 전자장비 등의 함체에 일일부하를 감당하기 충분한 양의 냉각량을 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 내부에 열발생원인인 전자장비가 설치된 함체와, 함체의 일측에 설치되어 필요에 따라서 함체 내부를 방열하는 방열기와, 상기 함체의 내부에 설치되며 외부온도가 연중최고치에 도달했을 때 가동되는 보조냉각장치와, 지하에 매설된 수조와, 상기 보조냉각장치와 수조를 연결하는 순환부를 갖는 전자장비 함체의 수동공조시스템의 설계에 있어서,

   상기 수조의 저장용량(M_t)과 직경(D) 및 상기 보조냉각장치의 유효 열전달 표면적(A_i)은 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자장비 함체의 수동공조시스템 설계법.

   ,

   ,

   여기서,Q _s 은 연간 총열저장요구량,C _p 는 물의 비열, △T는 보조냉각장치를 통과하고 난 뒤 수온의 상승분, z는 지표면으로부터 수조의 중심까지의 깊이, k는 흙의 열전도계수, t는 1년인 3.15×10⁷초, T_t는 초기의 수조의 온도,은 연평균온도, T_i는 수조에 저장된 냉수의 온도, q_max는 제거되는 함체 내부의 열량,h _i 는 보조냉각장치의 열전달계수, T_max는 함체의 실내온도 최고허용치이다.
2. 삭제
3. 삭제