KR100644765B1 - 열 손실을 줄이기 위한 구조의 복사판과 이를 이용한 온기및 냉기를 생성시키기 위한 시스템 - Google Patents

열 손실을 줄이기 위한 구조의 복사판과 이를 이용한 온기및 냉기를 생성시키기 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복사를 통한 가열 또는 냉각기능을 하는 기기이다. 이는 본 발명에 의한 기기의 복사판을 고온으로 하여 외부 대상을 가열하거나, 저온으로 하여 냉각하는 경우와 역으로 태양과 같은 복사원에서 복사에너지를 본 복사판을 통해 받아들이며 또는 맑은 하늘 쪽으로 내보내 냉각하는 경우를 가지는 것으로서, 이 두 경우, 즉 이 두 양식에 모두 적용되며 효율을 높여주는 특징적인 복사판의 구조로 그 표면에 복사선에 거의 투명한 다세포의 박막을 덧붙여 전도 및 대류에 의한 손실을 막는 구조이다.
열원, 냉원, 열 차단막, 복사판, 복사, 전도, 대류.

Description

열 손실을 줄이기 위한 구조의 복사판과 이를 이용한 온기 및 냉기를 생성시키기 위한 시스템{radiation plate}
도1은 피온냉체와 복사판과의 열전달관계를 설명하기 위한 개략도이다.
도2는 본 발명에 의한 복사판의 사시도이다.
도3은 본 발명에 의한 복사판의 부분 절개 사시도이다.
도4는 본 발명에 의한 복사판이 적용 예를 나타낸 개략도이다.
도5는 본 발명에 의한 열 손실을 줄이기 위한 구조의 복사판을 이용한 온기 및 냉기를 생성시키기 위한 시스템을 보인 개략도이다.
도6은 도5의 단면도이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
11 : 복사판 12 : 피온냉체
13 : 열 차단막 14 : 연결자
15 : 공간 16 : 용기
17 : 단열재 18 : 전면판
19 : 중간판 20 : 열전소자
21 : 후면판 22 : 온기류
23, 24 : 도열전극판 25 : 도열전판
26 : 대류공간 27 : 직류전원
본 발명은 열 손실을 줄이기 위한 구조의 복사판과 이를 이용한 온기 및 냉기를 생성시키기 위한 시스템에 관한 것이다. 특히 본 발명은 열원이나 냉원에서 발생되는 열기나 냉기가 대기(공기)를 매개로 하는 대류나 전도로 인해 손실되는 것을 줄이고 열전소자에서 발생되는 열기나 냉기를 손실 없이 전달할 수 있도록 하는 열 손실을 줄이기 위한 구조의 복사판과 이를 이용한 온기 및 냉기를 생성시키기 위한 시스템에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 복사판의 온도를 특정 물체의 온도보다 높게 하여 해당 물체가 복사판으로부터 받는 복사량이 복사판이 해당 물체로부터 받는 복사량보다 많게 하는 복사가열과, 복사판의 온도를 특정 물체의 온도보다 낮게 하여 특정 물체가 복사판으로부터 받는 복사량이 복사판이 해당 물체로부터 받는 복사량보다 작게, 즉 특정 물체를 식히는 복사냉각에서 열효율을 높일 수 있도록 하는 복사판과 이를 이용한 온기 및 냉기를 생성시키기 위한 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 서로 다른 온도를 가지는 두 물체는 상호간에 열기와 냉기를 주고받는다. 다시 말해, 상대적으로 고온인 물체는 열기를 방출하고 냉기를 흡수하며, 반대로 저온인 물체는 냉기를 방출하고 열기를 흡수한다. 이 과정에서 서로 다른 온도의 두 물체, 즉 열원(熱源)의 열기나 냉원(冷源)의 냉기는 전도와 대류 및 복사 등 에 의해 오고간다.
이렇게 열원이나 냉원에서 발생된 열기나 냉기가 대기(공기)를 경유하여 상대 물체에 전달되는 과정에서, 상대 물체에 도달하기 이전에 열기나 냉기가 전도와 대류로 인해 대기 중으로 손실되어 상대 물체에 전달되는 복사열이 매우 작아진다.
따라서, 열기나 냉기를 발생시키는 각종 전자제품과 가열 혹은 냉각시키고자 하는 대상 사이에 존재하는 대기로 인해 각종 전자제품에서 발생되는 열기나 냉기의 일부가 가열 혹은 냉각을 위한 목적물에 전달되지 못하고 손실된다.
본 발명의 목적은 열원이나 냉원에서 발생되는 열기나 냉기를 가열 혹은 냉각시키고자 하는 목적물에 전달할 때 대류나 전도로 인한 열 손실을 최소화할 수 있도록 하는 데 있다.
본 발명에 의한 열 손실을 줄이기 위한 구조의 복사판은, 열원(熱源) 또는 냉원(冷源)으로서 판 형상을 가지는 복사판의 한쪽 면에 복사판과의 접촉면적을 최소화하면서도 복사판과 열 차단막 사이의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있는 문양(pattern)의 연결자(link)에 의해 복사선 투과율이 좋은 재질의 열 차단막이 복사판과 일정간격을 두고 고정 설치되어, 대류 및 전도에 의한 열기 또는 냉기의 손실을 최소화할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 복사판의 표면은 흑색을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 열 차단막은, 복사선 투과율이 좋은 얇고 투명한 재 질의 폴리카본네이트 또는 유리로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 연결자는, 벌집 문양의 반복으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 복사판과 상기 열 차단막 사이의 공간은 진공상태로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 복사판의 다른 한쪽 면에는 단열재가 부착되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 복사판의 다른 한쪽 면에는 열매체의 흐름을 위한 용기가 부착되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 의한 열 손실을 줄이기 위한 구조의 복사판을 이용한 온기 및 냉기를 생성시키기 위한 시스템은, 전면판의 전면에 대류손실을 차단하기 위한 청구항1의 복사판이 부착되고, 상기 전면판과 중간판 사이에 열전소자가 내재되며, 상기 중간판의 후방에 일정간격을 두고 후면판이 배치되어 열기 또는 냉기를 대류시키기 위한 대류공간이 중간판과 후면판 사이에 상하로 관통지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 열전소자는, 상기 전면판의 배면에 도열전판이 부착되고, 상기 중간판의 전면에 도열전극판이 일정간격을 두고 부착되며, 상기 도열전판과 두 개의 도열전극판은 P형 반도체와 N형 반도체에 의해 서로 연결되는 한편 상기 두 개의 도열전극판에 직류전원이 접속되도록 전면판과 중간판 사이에 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 대류공간을 형성하는 중간판과 후면판이 흑색으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도1은 피온냉체(12)와 복사판(11)과의 열전달관계를 나타낸 것으로서, 복사판(11)의 온도를 사람이나 기타 물체 등과 같은 피온냉체(12)의 온도보다 높여 피온냉체(12)가 복사판(11)으로부터 받는 복사량이 복사판(11)이 피온냉체(12)로부터 받는 복사량보다 많게 하는 것을 복사가열이라 하고, 복사판(11)의 온도를 피온냉체(12)의 온도보다 낮춰 피온냉체(12)가 복사판(11)으로부터 받는 복사량이 복사판(11)이 피온냉체(12)로부터 받는 복사량보다 적게, 즉 복사판(11)이 피온냉체(12)로부터 받는 복사량에 비해 복사판(11)이 피온냉체(12)로 빼앗기는 복사량이 더 많게 하여 피온냉체(12)를 식히는 것을 복사냉각이라 일컫는다. 상기 복사판(11)은 가열 혹은 냉각을 위해 피온냉체(12)와 복사량을 주고받을 때 열효율을 높일 수 있는 구조를 갖는다.
도2 및 도3은 본 발명에 의한 복사판(11)을 나타낸 것으로서, 열원 혹은 냉원으로서의 복사판(11) 위에 복사선 투과율이 좋은 폴리카보네이트나 유리 등과 같은 재질로 이루어진 얇은 막, 즉 열 차단막(13)을 복사판(11)과 평행하게 덮는다.
상기 복사판(11)과 열 차단막(13) 사이의 간격은 일정하게 유지되어야 한다. 이를 위해 복사판(11) 및 열 차단막(13)과 최소한의 접촉면적을 가지면서 열 차단막(13)을 복사판(11) 위에 배치하기 위한 연결자(14)가 사용된다. 이 연결자(14)는 다양한 문양(pattern)을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 벌집 문양의 반복으로 이루어진 연결자(14)를 예로 설명하는데, 이는 복사판(11) 및 열 차단막(13)과 최소한으로 접촉하면서 열 차단막(13)을 복사판(11) 위에 견고하게 배치할 수 있는 특징으로 갖는다.
벌집 문양의 연결자(14)를 이용하여 표면이 흑색인 복사판(11) 위에 복사판(11)의 표면과 일정간격을 두고 열 차단막(13)을 설치함으로써 복사판(11)과 열 차단막(13) 사이에는 일정 공간(15)이 형성된다. 다시 말해, 복사판(11)과 열 차단막(13) 사이에 형성된 공간(15)에 채워진 공기는 벌집문양의 연결자(14)에 의해 고립되어 대류도 거의 일어나지 않아 복사열만을 전달하고 대류에 의한 열 전달은 차단하는 역할을 한다.
물론, 복사판(11)과 열 차단막(13) 사이의 공간(15)이 해당 공간(15)으로부터 공기를 제거한 진공상태가 될 수도 있다.
상기한 복사판(11)의 구조는 열효율을 극대화하기 위한 구조로서, 복사가열 시에는 주위공기가 대류에 의해 복사판(11)으로부터 열을 빼앗아 복사판(11)의 온도가 낮아지면서 복사판(11)으로부터 방사되는 복사량이 줄어드는 것을 막고, 복사냉각 시에는 복사판(11) 위에 형성되는 습기에 의한 이슬(結露)로 인해 복사선이 감소되는 것을 없앨 수 있는 구조이다.
더 나아가서 본 발명은 복사판(11)의 이면에 단열재(17)를 부착함으로써 열 손실을 줄이기 위한 효과를 배가할 수 있다.
도2 및 도3에 개시된 열 차단막(13)을 구비한 복사판(11)은 주위 온도에 관계없이 사람이나 물체 등을 직접 가열해 주는 복사가온에 효과적으로 적용될 뿐만 아니라 복사냉각에서도 복사판(11)의 온도를 낮춤으로 사람이나 물체 등과 같은 목적물을 즉시 직접적으로 냉각시킬 수 있다.
위와 같은 원리에 의하면, 복사판을 중심으로 하는 복사가열 과정에서 복사판에 열의 공급이 없고 상대인 물체가 계속 복사선을 흡수하면서도 온도가 오르지 않는다면 복사판이 냉각되므로 복사판 냉각장치의 열원(熱源)으로 쓸 수 있을 것이다. 이러한 물체의 예로 창공(蒼空)을 들 수 있는데, 이는 복사선을 한없이 흡수하는 대상이다.
맑은 날 하늘을 향한 물체의 면은 대기 온도보다 낮아져 이슬이나 서리가 생긴다. 이때 공기나 그 흐름인 바람이 물체의 온도가 낮아지는 것에 영향을 미치게 되는데, 본 발명에 의한 복사판의 구조에 의하면 공기나 바람의 영향을 덜 받고 물체의 온도를 더 낮출 수 있도록 활발한 냉각작용을 유도할 수 있다.
이러한 원리로 물체의 온도를 낮출 수 있는 한계는 우주흑체복사(cosmic block body)의 온도가 2.7k(-270도)임을 감안한다면 대기가 청명할 때는 물체를 상당한 온도까지 냉각시킬 수 있을 것이다.
도4는 이상에서 설명한 열 차단막을 가지는 복사판(11)의 원리를 이용하여 대용량의 열원이나 냉원을 자연으로부터 얻기 위한 구성으로서 복사판(11)의 이면에 공기나 물과 같은 열매체가 들고날 수 있는 용기(16)를 부착한다.
그리고 복사판(11)의 전면에 위치한 열 차단막을 낮에 태양을 향하도록 배치하면, 태양열에 의해 용기(16)를 지나가는 열매체가 가열된다. 한편 복사판(11)의 전면에 위치한 열 차단막을 밤에 창공을 향하도록 배치하면, 창공에 의해 용기(16)를 지나 가는 열매체가 냉각된다.
이러한 원리를 이용한다면 온도차에 의한 발전도 가능하다.
도5 및 도6은 위와 같은 특성을 가지는 복사판을 이용하여 온기 및 냉기를 생성시키기 위한 시스템을 나타낸 것으로서, 위의 도1 내지 도4에서 설명된 복사판(11)이 전면판(18)의 전면에 부착되어 대류손실을 차단하는 역할을 한다. 이 전면판(18)과 중간판(19) 사이에는 열전소자(20)가 내재되어 있는데, 이는 전원(27)에서 구동전원을 공급받아 온기나 냉기를 발생시키게 된다.
상기한 열전소자(20)는 도6에서와 같이, 전면판(18)의 배면에 도열전판(25)이 부착되고, 중간판(19)의 전면에 두 개의 도열전극판(23)(24)이 일정간격을 두고 부착되며, 이 도열전판(25)과 두 개의 도열전극판(23)(24)은 한 쌍의 P형 반도체와 N형 반도체에 의해 서로 연결되는 한편 두 개의 도열전극판(23)(24)에 구동전원을 공급하는 직류전원(27)이 접속된 상태로 전면판(18)과 중간판(19) 사이에 설치된다.
또한, 중간판(19)의 후방에 중간판(19)과 일정간격을 두고 후면판(21)이 배치되면서 열기 또는 냉기를 대류시키기 위한 대류공간(26)이 중간판(19)과 후면판(21) 사이에 상하로 관통지게 형성된다. 바람직하게는 대류공간(26)의 내면, 즉 대류공간(26)을 형성하는 중간판(19)과 후면판(20)의 내면에 흑색으로 이루어짐으로써 열 효율을 높일 수 있다. 여기서, 복사판(11)과 전면판(18), 중간판(19) 및 후면판(20)은 알루미늄이나 동과 같이 전도성과 열전도율이 높은 금속판으로 구성되는 것이 바람직하다.
도1 내지 도4에서 설명된 특성을 가지는 복사판(11)과 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한 열전소자(21)를 채용한 도5 및 도6의 시스템의 작동을 설명한다.
먼저, 직류전원(27)의 양극에서 출력되는 전류가 N형 반도체를 지나 도열전판(25)을 거쳐 P형 반도체로 들어가므로 도열전판(25)에서 흡열작용이 일어나면서 온도가 저하된다. 따라서, 도열전판(25)에 부착된 복사판(11)과 전면판(18)의 온도가 내려가면서 복사판(11) 전면에 위치한 물체를 식히게 된다.
이와 동시에 N형 반도체와 도열전판(25)을 거친 전류는 P형 반도체를 통해 직류전원(27)의 음극으로 흐른다. 이때 도열전극판(23)(24)에서 열이 발생하게 되고, 이 열이 중간판(19)을 통해 방출되므로 주위온도가 내려가 도열전판(25)과 이에 부착된 복사판(11)이 저온상태를 유지하면서 복사 냉각기능을 계속해서 수행할 수 있다.
여기서, 중간판(19)의 후방에 위치한 후면판(21)에 의해 형성된 대류공간(26)을 통해 도6의 화살표와 같은 방향으로 더운 공기의 대류가 일어나므로 중간판(19)에서 나오는 열류를 효과적으로 방출시킬 수 있다. 이는 즉, 복사판(11)이 부착된 전면판(18)에서는 냉기를 그리고 중간판(19)의 후방에 위치한 대류공간(26)을 통해서는 온기를 얻을 수 있는 구조의 시스템이다.
따라서, 본 발명은 복사판의 전면에 대류나 전도에 의한 열손실을 최소화할 수 있는 열 차단막을 설치함으로써 열원이나 냉원에서 발생되는 열기나 냉기가 대기(공기)를 매개로 하는 대류나 전도로 인해 손실되는 것을 줄일 수 있을 뿐더러 열전소자에서 발생되는 열기나 냉기를 손실 없이 전달할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 기재된 구체적인 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위 내에서 변형이나 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부한 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

Claims (8)

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  6. 열원(熱源) 또는 냉원(冷源)으로서 판 형상을 가지는 복사판의 한쪽 면에 복사판과의 접촉면적을 최소화하면서도 복사판과 열 차단막 사이의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있는 문양의 연결자(link)에 의해 복사선 투과율이 좋은 재질의 열 차단막이 복사판과 일정간격을 두고 고정 설치되고, 상기 복사판의 다른 한쪽 면에는 열 매체의 흐름을 위한 용기가 부착되어, 대류 및 전도에 의한 열기 또는 냉기의 손실을 최소화할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 열 손실을 줄이기 위한 구조의 복사판.
  7. 전면판의 전면에 대류손실을 차단하기 위한 청구항1의 복사판이 부착되고, 상기 전면판과 중간판 사이에 열전소자가 내재되며, 상기 중간판의 후방에 일정간격을 두고 후면판이 배치되어 열기 또는 냉기를 대류시키기 위한 대류공간이 중간판과 후면판 사이에 상하로 관통지게 형성되는 것을 특징으로 하는 열 손실을 줄이기 위한 구조의 복사판을 이용한 온기 및 냉기를 생성시키기 위한 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열전소자는, 상기 전면판의 배면에 도열전판이 부착되고, 상기 중간판의 전면에 도열전극판이 일정간격을 두고 부착되며, 상기 도열전판과 두 개의 도열전극판은 P형 반도체와 N형 반도체에 의해 서로 연결되는 한편 상기 두 개의 도열전극판에 직류전원이 접속되도록 전면판과 중간판 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 열 손실을 줄이기 위한 구조의 복사판을 이용한 온기 및 냉기를 생성시키기 위한 시스템.
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