KR101086925B1 - 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법 - Google Patents

히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉난방 시간을 단축할 수 있고 냉난방시 온도분포가 균일하며 쾌적한 냉난방을 구현할 수 있는 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법에 관한 것으로, 하부가 개방된 함체 형상의 제1패널몸체를 제작하는 단계와, 박판을 요철형상으로 절곡하여 골판재를 성형하는 단계와, 상기 제1패널몸체의 내부에 상기 골판재를 삽입하는 단계와, 상부가 개방된 함체 형상의 제2패널몸체를 제작하는 단계와, 상기 제2패널몸체의 내부에 냉난방수단을 설치하는 단계와, 상기 제1패널몸체와 제2패널몸체를 연결하는 단계와, 상기 제2패널몸체의 내부에 작동유체를 주입하고 진공을 형성하는 단계를 포함한다.
따라서 냉난방 시간을 단축할 수 있고 냉난방시 온도분포가 균일하며 쾌적한 냉난방을 구현할 수 있다. 또한, 히트파이프 방식으로 냉방 또는 난방을 하므로 소비전력이 낮고 열전달 효율이 우수하며, 열원 또는 냉원과의 온도차가 미미하므로 결로현상이 발생하지 않는다. 뿐만 아니라, 냉난방을 위한 파이프 및 전열선을 설치하기 위하여 소요되는 공간(바닥 및 천정)이 필요치 아니하므로 건축물의 층고를 대폭적으로 줄일 수 있다.
냉난방 패널, 히트파이프, 골판재, 세목망

Description

히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법{Manufacturing Method Of Heat Pipe Type Cooling/Heating Panel}
본 발명은 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법에 관한 것으로, 구체적으로는 냉난방 시간을 단축할 수 있고 냉난방시 온도분포가 균일하며 쾌적한 냉난방을 구현할 수 있는 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로 대형 건물의 냉난방 시스템은 공기를 매질로 하는 대류방식의 냉난방 시스템으로 열전달 매체인 공기를 강제 순환시켜 냉방 또는 난방을 실시한다. 그런데 이러한 대류방식의 냉난방 시스템은 매질인 공기를 가열 또는 냉각하는 과정에서 많은 에너지가 소모되는 문제점이 있다. 또한, 냉난방 시스템을 장시간 가동하거나 공기의 정화작업을 등한시 할 경우 유해물질 및 세균 등에 의해 공기가 오염될 우려가 있으며, 이렇게 오염된 공기와 접촉할 경우 각종 질병을 전염시킬 수 있으므로 매우 비위생적이다.
한편, 일반 주택의 냉난방 시스템은 바닥에 파이프를 설치하고 파이프를 통해 온수나 냉수를 순환시키거나, 전열선을 설치하여 그를 가동함으로써 냉난방을 하는 복사열을 이용한 냉난방 시스템이다.
그런데 복사열을 이용한 냉난방 시스템은 냉방 및 난방 초기에 온도분포가 균일하지 못하고, 냉방 및 난방시간이 지연되는 등의 문제가 있다. 특히, 냉방 시 냉원과의 심한 온도 차이로 인하여 결로현상이 발생하므로 제습장치가 요구되기도 한다.
이를 해소하고자, 냉난방용 파이프 및 전열선을 천장에 설치하는 방식을 사용하였다. 이러한 방식은 냉방 시 복사 및 대류에 의한 열전달이 가능하지만 난방시에는 복사에 의해서만 열전달이 가능하므로 효과가 떨어진다. 또한, 파이프 및 전열선을 이용한 냉난방 방식이므로 냉방 및 난방시간이 지연되거나 온도분포가 불균일한 문제는 여전하였다.
이에 최근에는 열전달이 빠른 히트파이프를 적용하여 냉난방시스템을 구성하고 있다. 히트파이프(heat pipe)는 밀폐용기 내부의 작동유체가 연속적으로 기-액간의 상변화 과정을 통하여 용기 양단 사이에 열을 전달하는 장치로서, 잠열(latent heat)을 이용하여 열을 이동시킴으로써 단일상의 작동유체를 이용하는 통상적인 열전달 기기에 비해 매우 큰 열전달 성능을 발휘한다.
이와 같이 냉난방 시스템에 히트파이프를 적용함으로써 냉방 및 난방시간이 지연되는 문제와 불균일한 온도분포 등을 어느 정도 해소하였으나, 만족할만한 수준에는 미치지 못하며 쾌적한 냉난방을 구현하기에는 다소 미흡하다.
따라서 본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서 냉난방 시 간을 단축할 수 있고 냉난방시 온도분포가 균일하며 쾌적한 냉난방을 구현할 수 있는 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 소비전력이 낮고 열전달 효율이 우수한 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법은, 하부가 개방된 함체 형상의 제1패널몸체를 제작하는 단계와, 박판을 요철형상으로 절곡하여 골판재를 성형하는 단계와, 상기 제1패널몸체의 내부에 상기 골판재를 삽입하는 단계와, 상부가 개방된 함체 형상의 제2패널몸체를 제작하는 단계와, 상기 제2패널몸체의 내부에 냉난방수단을 설치하는 단계와, 상기 제1패널몸체와 제2패널몸체를 연결하는 단계와, 상기 제2패널몸체의 내부에 작동유체를 주입하고 진공을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 히트파이프 방식 냉난방 패널은 상술한 바와 같이 냉난방수단을 작동시켜 작동유체가 상변화하고 이송로를 따라 이동하며 외부로 열을 전달함으로써 냉난방 시간을 단축할 수 있고 냉난방시 온도분포가 균일하며 쾌적한 냉난방을 구현할 수 있다.
또한, 히트파이프 방식으로 냉방 또는 난방을 하므로 소비전력이 낮고 열전달 효율이 우수하며, 열원 또는 냉원과의 온도차가 미미하므로 결로현상이 발생하지 않는다.
뿐만 아니라, 냉난방을 위한 파이프 및 전열선을 설치하기 위하여 소요되는 공간(바닥 및 천정)이 필요치 아니하므로 건축물의 층고를 대폭적으로 줄일 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 가능한 한 동일한 부호를 부가한다.
도 1은 본 발명에 의한 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작과정을 도시하는 순서도이고, 도 2는 본 발명에 의한 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제1실시예를 도시하는 사시도이며, 도 3은 본 발명에 의한 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제1실시예를 도시하는 부분절개사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법(100)은, 하부가 개방된 함체 형상의 제1패널몸체(110)를 제작하는 단계(S10)와, 박판을 요철형상으로 절곡하여 골판재(112)를 성형하는 단계(S20)와, 상기 제1패널몸체(110)의 내부에 상기 골판재(112)를 삽입하는 단계(S30)와, 상부가 개방된 함체 형상의 제2패널몸체(120)를 제작하는 단계(S50)와, 상기 제2패널몸체(120)의 내부에 냉난방수단(130)을 설치하는 단계(S60)와, 상기 제1패널몸체(110)와 제2패널몸체(120)를 연결하는 단계(S70)와, 상기 제2패널몸체(120)의 내부에 작동유체(140)를 주입하고 진공을 형성하는 단계(S80)를 포함한다.
여기서 상기 히트파이프 방식 냉난방 패널(100)에 의한 냉난방시 모세관력에 의해 상기 작동유체(140)를 상기 제1패널몸체(110)의 전면부(114) 측으로 침윤시킴으로써 상기 전면부(114)를 통해 복사열을 흡열하여 냉난방수단(130)으로 전달할 수 있도록 상기 제1패널몸체(110)와 골판재(112) 사이에 세목망(119)을 삽입한다(S40).
한편, 상기 제1패널몸체(110)와 제2패널몸체(120)는 브레이징(brazing) 접합하여 연결한다. 이를 좀 더 상세히 설명하면, 니켈 합금 필러 금속(nickel alloy filler metal)을 사용하여 수소 분위기에서 브레이징 접합을 한다. 이때, 브레이징 온도는 1120℃이되, 상기 제1패널몸체(110)와 제2패널몸체(120)가 알루미늄 소재일 경우 접합제로 알루미늄-실리콘 합금 필러 금속을 사용하며 브레이징 온도는 600℃이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 상술한 바와 같은 과정에 의해 제작되는 히트파이프 방식 냉난방 패널에 대해 살펴보면 다음과 같다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 히트파이프 방식 냉난방 패널(100)은, 전면부(114), 세목망(119), 골판재(112), 후면부(116) 순으로 중첩되는 제1패널몸체(110)와, 상기 골판재(112)의 이송로(118) 및 세목망(119)에 연통 되게 상기 제1패널몸체(110)의 하부에 결합되고, 냉난방수단(130)이 내장되며, 작동유체(140)가 충전되는 제2패널몸체(120)로 구성된다.
상기 제2패널몸체(120)의 상부면 중앙에 길이방향으로 직사각의 절개부(121)가 형성되는데, 상기 절개부(121)를 통해 상기 제2패널몸체(120) 내부의 상기 골판재(112)의 이송로(118) 및 세목망(119)이 연통 된다.
상기 제1패널몸체(110)는 소정 두께를 가지며 내부가 빈 판재로, 그 내부에는 요철형상으로 절곡된 골판재(112) 및 세목망(119)이 마련된다. 즉, 상기 제1패 널몸체(110)의 전면부(114)와 후면부(116) 사이의 내부 공간은 상기 골판재(112)에 의해 구획되며, 상기 전면부(114)와 골판재(112)의 사이에는 세목망(119)이 위치된다. 이때, 상기 골판재(112)에 의해 구획된 다수의 내부 공간은 상기 작동유체(140)의 이동을 위한 이송로(118)가 된다. 또한, 상기 세목망(119)은 냉난방시 모세관력에 의해 상기 작동유체(140)를 전면부(114) 측으로 침윤시킨다.
상기 제2패널몸체(120)는 직사각의 육면체로 되는데, 상기 제1패널몸체(110)와 동일한 길이로 되고, 폭은 상기 제1패널몸체(110)보다는 넓게 되며, 상부면에 직사각의 절개부(121)가 형성된다.
그리고 내부에는 냉난방수단(130)이 설치되며 상기 작동유체(140)가 충전된다. 이때, 상기 제2패널몸체(120)의 일단에는 상기 작동유체(140)를 주입하거나 상기 이송로(118) 및 제2패널몸체(120)의 내부를 진공으로 만들기 위한 주입구(122)가 형성된다. 또한, 상기 제2패널몸체(120)의 타단에는 상기 냉난방수단(130)의 단자 또는 연결구의 설치를 위한 관통공(124)이 형성된다.
상기 냉난방수단(130)은 상기 제2패널몸체(120)에 충전된 작동유체(140)를 가열 또는 냉각하여 상변화(액체-기체 또는 기체-액체)시키기 위한 수단이다. 이때, 상기 냉난방수단(130)으로는 히팅 코일(heating coil) 또는 히팅 카트리지(heating cartridge)가 사용될 수 있으며, 냉수 및 온수의 주입이 가능한 열교환 튜브가 사용될 수 있다.
본 실시예에 예시된 냉난방수단(130)은 히팅 카트리지다. 상기 히팅 카트리지는 전열선과 금속 시스(sheath)선의 간격이 좁게 형성되어 전열선과 시스선과 전열선 사이의 온도차를 줄일 수 있으며, 이로 인하여 열전도면에서 최대의 효율을 유지할 수 있으며, 유효수명이 길다.
이러한 히팅 카트리지의 일단에는 외부로부터 전원 공급이 가능하도록 단자(132)가 마련된다. 그리고 상기 단자(132)는 냉난방수단(130)의 설치 시 상기 제2패널몸체(120)의 관통공(124)을 통해 외부로 노출된다.
상기 작동유체(140)는 상기 냉난방수단(130)의 작동 시 상변화(액체-기체 또는 기체-액체)하고, 상기 이송로(118)를 따라 이동하며 외부로 열을 전달하기 위한 수단이다. 이러한 작동유체(140)로는 상변화가 용이한 메탄올, 아세톤, 물, 수은이 사용될 수 있으나, 환경오염의 우려가 없으며 용이하게 구할 수 있는 물을 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 의해 제작된 히트파이프 방식 냉난방 패널(100)은 저온 복사에 의한 냉난방을 구현하기 위하여 복사에 의한 전열량(Q)을 예측할 수 있어야 한다. 그리고 상기 전열량(Q)은 아래의 [식 1]을 통해 구할 수 있다.
Figure 112009500850102-pat00008
여기서 σ는 스테판-볼츠만 복사 전열상수이고, A는 전열면적이며, T 1과 T 2는 복사면의 절대온도와 피사체의 절대온도(K)이다.
또한, 본 발명에 의해 제작된 히트파이프 방식 냉난방 패널(100)의 이송로(118)의 단면적(A v )은 아래 [식 2] 및 [식 3]을 통해 구할 수 있다.
Figure 112009500850102-pat00002
이때, ω와 δ는 이송로(118)의 폭(mm)과 깊이(mm)이고, μ v 는 작동유체(140)의 점도(kg/m-sec)이며, λ는 증발열량(J/kg)이다.
상기 [식 2]를 통해 산출된 레이놀즈수(Re v )를 이용하면,
Figure 112009500850102-pat00003
여기서 M v 는 마하 수(m/sec), ρ v 는 증기밀도(kg/㎥), λ는 증발열량(J/kg), Re v 는 레이놀즈수, T v 는 작동유체(140)의 절대온도(K),
Figure 112009500850102-pat00009
는 작동유체(140)의 비열비(1.4)이다.
일례로 상기 제1패널몸체(110)의 두께가 10mm이고, 전면부(114)와 후면부(116) 사이의 두께가 5mm이며, 골판재(112)의 두께가 0.3mm일 때, 이송로(118)의 폭(mm)과 깊이(mm)는 각각 3.7mm, 4.4mm가 된다.
이렇게 예측된 이송로(118)의 단면적이 복사 전열면적을 통해 방출되는 복사 열량에 적합하도록 성립되려면 복사 열량을 알고 있어야 한다. 즉, 본 발명에 의해 제작된 히트파이프 방식 냉난방 패널(100)에 의한 냉난방은 저온 복사에 의한 냉난방으로, 복사면 최적 온도는 화상 안정 온도인 45℃이고, 피사체의 온도는 20℃이며, 전열면적은 1.44m2라 가정하면, [식 1]을 통해 열복사에 의한 전열량(Q max)은 233W임을 알 수 있다.
또한, 산출된 전열량(Q max)을 [식 2]에 대입하여 레이놀즈수(Re v )을 계산하면 1740임을 알 수 있다. 이때, 상기 레이놀즈수(Re v )는 2300이하이므로 상기 이송로(118)에서의 작동유체(140)가 층류상임을 알 수 있다.
한편, 상기 이송로(118)의 이상적인 단면적(A v )은 [식 3]을 통해 15.7(mm2)임을 알 수 있다. 이를 상기 이송로(118)의 실제 단면적(3.7mm×4.4mm)과 비교하면 이송로(118)의 실제 단면적인 이상적인 단면적의 96％에 해당하므로 상당히 근사함을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명에 의한 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법에 의해 제작된 히트파이프 방식 냉난방 패널의 사용상태도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 히트파이프 방식 냉난방 패널(100)은 소정의 사각 프레임(200)에 조립되어 설치된다. 이때, 상기 히트파이프 방식 냉난방 패널(100)의 단자(132)는 상기 프레임(200)의 측면을 관통하여 외부로 노출된다. 그리고 도면에 도시된 전선(210)을 통해 건축물 내벽에 설치된 콘센트(220)와 연결된다.
상기 히트파이프 방식 냉난방 패널(100)이 조립된 상기 프레임(200)은 건축물의 벽면에 설치되어 전원 인가 시 복사열을 방출하여 건축물의 실내를 냉난방 하게 된다.
따라서 냉난방 시간을 단축할 수 있고 냉난방시 온도분포가 균일하며 쾌적한 냉난방을 구현할 수 있다. 또한, 히트파이프 방식으로 냉방 또는 난방을 하므로 소비전력이 낮고 열전달 효율이 우수하며, 열원 또는 냉원과의 온도차가 미미하므로 결로현상이 발생하지 않는다. 뿐만 아니라, 냉난방을 위한 파이프 및 전열선을 설 치하기 위하여 소요되는 공간(바닥 및 천정)이 필요치 아니하므로 건축물의 층고를 대폭적으로 줄일 수 있다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법의 과정을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작과정을 도시하는 순서도.
도 2는 본 발명에 의한 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제1실시예를 도시하는 사시도.
도 3은 본 발명에 의한 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제1실시예를 도시하는 부분절개사시도.
도 4는 본 발명에 의한 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법에 의해 제작된 히트파이프 방식 냉난방 패널의 사용상태도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 히트파이프 방식 냉난방 패널
110: 제1패널몸체 112: 골판재
114: 전면부 116: 후면부
118: 이송로 119: 세목망
120: 제2패널몸체 122: 주입구
124: 관통공 130: 냉난방수단
132: 단자 140: 작동유체

Claims (3)

  1. 하부가 개방된 함체 형상의 제1패널몸체를 제작하는 단계;
    박판을 요철형상으로 절곡하여 골판재를 성형하는 단계;
    상기 제1패널몸체의 내부에 상기 골판재를 삽입하는 단계;
    상부가 개방된 함체 형상의 제2패널몸체를 제작하는 단계;
    상기 제2패널몸체의 내부에 냉난방수단을 설치하는 단계;
    상기 제1패널몸체와 제2패널몸체를 연결하는 단계; 및
    상기 제2패널몸체의 내부에 작동유체를 주입하고 진공을 형성하는 단계를 포함하는 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1패널몸체와 골판재 사이에 세목망을 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1패널몸체와 제2패널몸체는 브레이징(brazing) 접합하여 연결하는 것을 특징으로 하는 히트파이프 방식 냉난방 패널의 제작방법.
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