KR100464287B1 - 열전달 억제를 위한 그루우브 응용 판구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체와 접하는 표면을 가지는 판구조물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 판구조물은, 일측 표면이 외부의 유체와 접촉하여 그 외부의 유체에 대해 상대이동 가능하게 배치되며 상기 일측 표면에는 상기 유체에 대한 상대이동방향을 따라 상호 이격되게 배치된 다수의 그루우브가 형성되어 있는 구성을 가짐으로써, 판구조물이 그 판구조물 주위의 유체에 대해 상대이동될 때, 그 유체와의 열전달량이 크게 증대되는 것을 방지할 수 있다.

Description

열전달 억제를 위한 그루우브 응용 판구조물{Plate structure with small-size grooves for heat-transfer suppression}

본 발명은 유체와 접하는 표면을 가지는 판구조물에 관한 것으로서, 특히 유체에 대한 물체의 상대이동시에 유체와의 대류열전달이 효과적으로 억제될 수 있도록 그 표면의 구조가 개선된 판구조물에 관한 것이다.

예컨대, 식품을 외부와 단열상태로 운송하기 위한 식품운송차량의 뒷부분에 설치된 식품적재용 컨테이너의 측벽이나 상벽 또는 태양열 발전소에 태양열의 집열을 위해 설치되는 태양열 집열판용 유리나 건물의 창문용 유리 등과 같이 일측 표면이 외부 공기와 접하도록 설치되는 판구조물은, 일반적으로 공간의 분할이나 구획을 위한 격벽의 기능 외에 그 판구조물의 표면쪽의 외부공기와 배면쪽의 내부공기 사이의 열전달을 억제하기 위한 기능도 함께 수행한다.

한편, 상술한 바와 같은 판구조물이 공기중에서 임의의 속도로 이동되는 경우나 또는 판구조물이 정지해 있고 그 주위의 공기가 유동되는 경우 등과 같이 판구조물이 공기에 대해 상대이동되는 경우에는, 상대이동되지 않는 경우에 비하여 판구조물과 그 판구조물의 표면에 접하는 공기 사이의 열전달량이 많아져서 결국 판구조물의 내외측간의 열전달 억제효과가 감소된다. 이러한 상황은, 공기에 대해 상대이동되는 판구조물 뿐만 아니라, 예컨대 판구조물이 잠수함의 창문유리이고 그 잠수함의 이동에 의해 판구조물이 수중에서 외부의 물에 대해 상대이동되는 경우에도 마찬가지이다. 이와 같은 열전달 억제효과의 감소는, 공기나 물 등과 같은 유체에 대해 판구조물이 상대이동할 때 발생하는 판구조물의 표면과 유체 사이의 대류열전달에 기인하며, 유체에 대한 판구조물의 상대속도가 클수록 판구조물과 그 판구조물의 표면에 접하는 유체 사이의 열전달량이 많아지게 된다는 것은 이미 잘 알려져 있다.

상술한 바와 같이, 판구조물과 그 판구조물의 표면에 접하는 유체 사이의 열전달량이 많아지게 되면, 그 판구조물 내외측간의 단열효과도 당연히 저하된다.

따라서, 유체에 대한 판구조물의 상대이동시에 판구조물에 의한 단열효과가 크게 저하되지 않도록 하기 위하여, 판구조물과 그 판구조물의 표면에 접하는 유체 사이의 열전달량을 감소시킬 필요가 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출된 것으로서, 외부의 유체에 대해 상대이동할 때 그 외부 유체와의 대류열전달을 억제할 수 있도록 표면의 구조를 개선함으로써 단열효과가 크게 저하되는 것을 방지할 수 있는 판구조물을 제공함에 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 판구조물이 차량에 적용된 상태를 나타낸 개략적 사시도,

도 2는 도 1에 도시된 판구조물을 분리하여 도시한 개략적 사시도,

도 3은 도 2에 도시된 판구조물의 Ⅲ-Ⅲ선 개략적 단면도,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 판구조물과 그 판구조물에 주위의 유체와의 열전달관계를 설명하기 위한 도면,

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...판구조물

11...그루우브

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 판구조물은, 외부의 유체와 접하며 그 외부의 유체에 대해 상대이동 가능하게 배치되는 일측 표면에 있어서, 상기 일측 표면에는 상기 유체에 대한 상대이동방향을 따라 상호 이격되게 배치된 다수의 그루우브가 형성되어 있는 점에 특징이 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 판구조물이 식품운송용 차량에 적용된 상태를 나타낸 개략적 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 판구조물을 분리하여 도시한 개략적 사시도이다. 그리고, 도 3은 도 2에 도시된 판구조물의 Ⅲ-Ⅲ선 개략적 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 판구조물(10)은, 보온이나 보냉이필요한 식품이 적재되는 컨테이너(2)를 구비한 식품운송용 차량(1)에서 상기 컨테이너(2)의 외벽의 일부로서 채택되어 있다. 이 판구조물(10)의 일측(외측) 표면은 상기 컨테이너(2)의 좌측벽의 바깥면을 이루고 있으며 외부공기와 접하고 있다.

상기 판구조물(10)의 일측 표면에는 화살표(A; 도 1 및 도 2 참조) 방향을 따라 동일한 간격으로 배치된 다수의 그루우브(11)가 형성되어 있다. 화살표(A)가 가리키는 방향은, 외부 공기에 대한 판구조물(10)의 상대이동방향, 보다 구체적으로는 차량(1)의 전후진 주행방향을 나타낸다. 상기 각 그루우브(11)의 깊이(d)나 폭(L)은 상기 공기에 대한 판구조물(10)의 상대이동속도 등을 감안하여 적절히 설정될 수 있다.

상술한 바와 같은 그루우브(11)들을 가지는 판구조물(10)이 공기에 대해 상대이동될 때 그 판구조물(10)과 외부 공기 사이의 열전달량은, 상기 그루우브(11)들이 없는 매끈한 판구조물의 경우에 비하여 감소하게 된다. 이하, 그러한 열전달량의 감소에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 상술한 그루우브들이 없는 종래의 매끈한 판구조물의 경우에는, 공기에 대해 상대이동될 때 판구조물의 표면 전체에 걸쳐 공기의 전단응력이 크게 작용하게 되며 따라서 그 판구조물 표면 전체가 유체와의 마찰면적이 된다. 한편, 일반적으로 벽면에서의 대류열전달은 벽면에서의 유체 마찰과 유사한 상사성을 보이므로, 이에 의해 벽면에서의 열전달 또한 커지게 된다. 반면에, 본 실시예의 판구조물(10)은 외부의 공기와 접촉되는 표면에 상술한 바와 같은 다수의 그루우브(11)가 마련되어 있어서 그 그루우브(11)들의 내부에는 공기가 수용되어 있게 되며, 상기 판구조물(10)의 상대이동시에 그루우브(11)들의 내부에 수용되어 있는 공기의 대부분은 그루우브(11)들 내에서 판구조물(10)의 상대이동속도와 크게 다르지 않은 속도분포를 갖는다. 이처럼 그루우브(11)들 내의 공기가 판구조물(10)의 상대이동속도와 유사한 속도분포를 가질 경우, 그루우브(11)들의 바닥면에서 공기의 전단응력은 거의 0이 되며, 유체 마찰과 열전달 사이의 상사성에 의하여 각 그루우브(11)의 바닥면과 공기 사이에서는 열전달 또한 대폭 감소한다. 그러므로, 본 실시예의 판구조물(10)에 있어서 상기 공기와 접촉되는 면 중 공기와의 열전달이 크게 발생하는 부분은 그루우브(11)들 사이에 위치된 부분들의 표면으로 한정되게 되며, 결국 판구조물(10)과 공기 사이의 열전달을 발생시키는 면적은 그루우브(11)들을 제외한 부분의 표면적만으로 한정되게 된다. 그 결과, 본 실시예의 판구조물(10)에 있어서는 그루우브들이 없는 종래의 매끈한 판구조물에 비하여 공기와의 열전달이 감소한다.

상기 그루우브(11)들에 의한 열전달량의 감소에 대해서는 본 발명자들이 행한 수치해석에 의해서도 쉽게 확인되었는데, 예를 들어, 판구조물(10)에 대해 공기가 도 3의 화살표(A1) 방향으로 유동되는 경우에 있어서, 공기의 자유유동속도 및 자유유동온도는 각각 3m/sec, 20℃이고, 그루우브(11)의 깊이(d)는 3mm이고, 그루우브의 폭(L; 어느 하나의 그루우브(11)가 시작되는 포인트(X1; 도 3 참조)에서부터 그 그루우브(11)가 끝나는 포인트(X2; 도 3 참조)까지의 거리)은 12mm이고, 공기와 접하는 판구조물(10)의 표면의 온도는 70℃인 경우에 대해 수치해석한 결과를 도 4에 그래프로 나타내었다.

도 4에서, 가로축은 열유속의 측정포인트를 나타내는 것으로서, 0은 그루우브가 시작되기 전의 임의의 포인트의 위치를 가리키며, X1 및 X2는 각각 도3에 도시된 바와 같이 그루우브(11)가 시작되는 포인트와 그 그루우브(11)가 끝나는 포인트를 가리킨다. X3는 그루우브(11)가 끝난 후의 임의의 포인트의 위치를 가리킨다. 세로축은 열유속(단위면적당 그리고 단위시간당 열전달량)을 나타낸다. 그리고, 도 4의 그래프에서 실선으로 도시된 것은 본 실시예에서의 수치해석결과를 나타내며, 일점쇄선으로 도시된 것은 그루우브가 없는 종래의 매끈한 판구조물의 경우에 대한 수치해석결과를 나타내는 것으로서 단지 상기 그루우브가 형성되어 있지 않다는 점만을 제외하고는 다른 조건들은 본 실시예에서의 측정조건과 동일한 조건하에서 수치해석된 결과를 나타낸다.

도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 매끈한 판구조물에 있어서의 열유속은 모든 측정 포인트에서 거의 동일한 값을 가지는 반면에, 본 실시예의 판구조물에 있어서는 상술한 그루우브로 인하여 측정위치별로 열유속의 분포가 달라지게 된다. 즉, 본 실시예의 판구조물에 있어서는, 그루우브(11)가 시작되기 전의 특정한 포인트(0)에서부터 그루우브(11)의 시작 포인트(X1)에 이르기 직전의 부분에서는 열유속이 종래의 매끈한 판구조물에 비하여 거의 변하지 않으며 그루우브(11)의 시작 포인트(X1) 바로 앞에서는 열유속이 종래의 매끈한 판구조물에 비하여 약간 증대되나 그 정도가 심하지는 않고 그 위치범위 또한 매우 작다. 한편, 그루우브(11)가 시작되는 포인트(X1)에서 그 그루우브(11)가 끝나는 포인트(X2) 사이의 위치범위 내에서는 종래의 매끈한 판구조물에 비하여 열유속이 대폭 감소된다. 이는, 그루우브(11)의 내부에 수용되어 그 그루우브(11)의 바닥면과 접촉되는 공기의 속도분포가 외부공기에 대한 판구조물(10)의 속도와 거의 유사하여 그루우브(11) 내의 공기와 그루우브(11)의 바닥면 사이의 전단응력이 미미하게 되고, 이로 인해 그루우브(11)의 바닥면과 공기와의 열전달 또한 종래의 매끈한 판구조물에서의 경우에 비해 대폭 감소되기 때문이다. 그리고, 그루우브(11)가 끝나는 포인트(X2)에서부터는 다시 외부 유동의 전단응력의 영향을 받게 되는데, 상기 그루우브가 끝나는 포인트(X2) 바로 뒤에서는 열유속이 급격히 증가되게 된다. 이는 외부공기가 그루우브(11)가 끝나는 부분에 재부착됨으로 인하여 벽면에서의 유체 마찰이 대폭 증가하고 이로 인해 그 부위에서의 열전달 또한 대폭 증대되기 때문이다. 그러나, 이처럼 열유속이 대폭 증가되는 부분은 도시된 바와 같이 작은 위치범위로 한정되며, 그 범위를 벗어난 위치부터는 다시 종래의 매끈한 판구조물에서의 열유속값을 점차 회복하고, 그 이후에는 계속해서 상기 포인트(0)와 포인트(X2) 사이에서의 열유속 분포와 거의 유사한 열유속 분포가 반복된다.

이처럼, 본 실시예의 판구조물(10)에 있어서는, 그루우브(11)로 인하여 판구조물(10)의 표면 각부분의 위치별로 다른 열유속 분포를 가지게 되는데, 상기 그루우브(11)가 시작되기 전의 임의의 포인트(0)에서부터 그루우브(11)가 끝난 후의 임의의 포인트(X3; 도 3참조) 사이에서의 총 열전달량, 즉, 상기 구간에서의 각 포인트에서의 열유속을 적분한 값은 종래의 매끈한 판구조물의 총 열전달량보다 작아짐을 쉽게 알 수 있다. 한편, 도 4는 하나의 그루우브(11)의 전후에서의 열유속의 분포를 나타내었는데, 판구조물(10)의 모든 그루우브(11) 전후 영역에서도 도 4에도시된 바와 동일한 열유속 분포를 가지게 됨은 물론이다.

본 실시예에 있어서는 그루우브(11)들이 서로 동일한 간격으로 배치된 것으로 하였으나, 그루우브(11)들이 반드시 동일한 간격을 가져야만 열유속의 감소효과를 얻을 수 있는 것은 아니다. 또한, 각 그루우브(11)의 깊이(d)나 폭(L)이 서로 동일한 규격을 가져야만 하는 것은 아니다.

본 발명자들은, 각 그루우브(11)의 폭(L)이나 깊이(d) 및 그루우브(11)의 수량, 판구조물(10)에 대한 공기의 상대이동속도, 외부유동의 층류 및 난류 여부 등의 조건을 여러가지로 달리하면서 수치해석하였는데, 그 결과, 각각의 경우에 대한 전체적인 열유속의 분포도는 도 4에 도시된 것에 비해 크게 달라지지 않았으며, 또한 전체 열전달량의 감소율, 즉, 상술한 그루우브(11)가 없는 종래의 매끈한 판구조물에서의 열전달량에 대한 상술한 그루우브(11)가 있는 경우의 열전달량의 감소율도 상기 실시예와 비교할 때 크게 변화되지 않았다.

상술한 실시예에 있어서는, 판구조물이 식품 운송용 차량(1)의 컨테이너(2)의 외벽부를 구성하는 경우를 예로 들어서 그 차량(1)의 주행에 의해 판구조물(10)이 공기에 대해 상대이동되는 경우를 설명하였으나, 판구조물(10)은 고정되어 있고 그 주위의 공기가 유동됨으로써 판구조물(10)이 공기에 대해 상대이동되는 경우, 예컨대 판구조물(10)이 창문용 유리판 또는 태양열 발전소에 설치되는 태양열 집열판용 유리판으로서 사용되고 그 유리판 주위의 공기가 이동되는 경우에도 본 발명이 적용될 수 있음은 물론이다.

그리고, 상기 실시예에 있어서는, 유체가 공기인 것으로 설명하였으나, 물등의 액체인 경우에도 본 발명이 적용될 수 있음은 물론이다.

이상 몇가지 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서, 앞에서 예시된 구성들에 대하여 단순한 설계적인 변경이 가해진 형태 또는 그 예시된 구성들을 조합한 형태 등, 다양한 형태로 구체화될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 판구조물은, 외부의 유체와 접촉하여 그 외부의 유체에 대해 상대이동 가능하게 배치된 일측 표면을 가지며 상기 일측 표면에는 상기 유체에 대한 상대이동방향을 따라 상호 이격되게 배치된 다수의 그루우브가 형성되어 있는 구성을 가짐으로써, 판구조물이 그 판구조물 주위의 유체에 대해 상대이동될 때, 그 유체와의 대류열전달이 크게 증대되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (2)

1. 일측 표면이 외부의 유체와 접촉하여, 그 외부의 유체에 대해 상대이동 가능하게 배치되는 판구조물에 있어서,

   상기 일측 표면에는 상기 유체에 대한 상대이동방향을 따라 상호 이격되게 배치된 다수의 그루우브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 판구조물.
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 그루우브들은 서로 동일한 간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 판구조물.