KR101412762B1

KR101412762B1 - 에너지절감형 항온항습기

Info

Publication number: KR101412762B1
Application number: KR1020140034832A
Authority: KR
Inventors: 윤 식 변; 양권옥
Original assignee: 양권옥; 윤 식 변
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2014-06-30

Abstract

본 발명은 작동 유체가 내부로 유동하여 외부의 공기와 열교환이 이루어지도록 하며 외주연에 코팅층이 형성된 열교환 라인; 상기 열교환 라인의 전단 및 후단을 감싸는 형상으로 내재된 작동 유체의 열교환에 의해 상기 열교환 라인의 전단에서 유입되는 공기를 냉각하고 상기 열교환 라인의 후단에서 상기 열교환 라인을 통과하는 공기를 가열하며 외주연에 코팅층이 형성된 하나 이상의 파이프 본체를 포함하는 히트파이프 열교환기; 및 상기 열교환 라인 및 히트파이프 열교환기에 공기가 통과하도록 하고 이를 배기하기 위한 송풍팬;을 포함하는 것을 특징으로 하는 항온항습기에 관한 것이다.

Description

에너지절감형 항온항습기{A energy saving thermo-hygrostat}

본 발명은 온도 및 습도조절이 필요한 항온항습기에 있어서 별도의 동력이나 열원을 사용하지 않고 열교환 라인을 통과하는 공기를 예냉시킴과 동시에 재열하여 에너지 소비를 저감시킬 수 있는 에너지 절감형 항온항습기에 관한 것이다.

일반적으로 항온항습기는 전산실, 정밀측정실, 엔진실험실, 반도체 공장의 크린룸, 전자기판생산실 및 제약공장의 크린룸 등 주로 열이 많이 발생되는 시스템이나 장치가 설치된 공간에 설치되는 것으로, 해당 공간 내부의 온도를 조절하기 위한 냉/난방운전, 공간 내부의 습도를 조절하기 위한 가습 및 제습운전, 공간 내부의 청정 공기를 유지하기 위한 공기정화운전 등을 통하여 이들 시스템이나 장치 주변의 온도 및 습도가 항상 일정한 범위 내에 머물도록 하는데 사용되며 특히 전 외기를 도입하는 항온항습기에서는 더 큰 효과를 누릴 수 있다.

그러나 종래의 항온항습기는 도 1에 도시된 바와 같이 습도를 조절함에 있어 기기로 유입되는 공기를 냉각 및 감습시키고 이를 다시 재열하여 온도와 습도를 설정치에 도달하도록 하는 방식으로 운용되기 때문에 에너지를 과소비하는 저효율적인 방법이었다.

즉, 종래 항온항습기에서는 온도는 설정치에 도달하였으나 습도가 높을 경우, 습도를 떨어트리기 위하여 증발기에서 통과공기를 과냉각시켜 절대습도를 떨어트린 후, 과냉각된 온도를 다시 상승시키기 위해 후공정으로서 재열을 실시는 등 다량의 에너지를 소비함은 물론 냉각과 재열을 실시하기 위해 별도의 냉각수단 및 재열수단이 구비되어야 하는 등 시스템을 비효율적으로 운용하는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제0917835호

따라서 본 발명의 목적은 제습에 있어 별도의 동력 없이도 공기의 예냉과 재열을 실시토록 함으로써 에너지의 소비를 저감시키는 에너지 절감형 항온항습기를 제공하고자 함이다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 항온항습기는 작동 유체가 내부로 유동하여 외부의 공기와 열교환이 이루어지도록 하며 외주연에 코팅층이 형성된 열교환 라인; 상기 열교환 라인의 전단 및 후단을 감싸는 형상으로 내재된 작동 유체의 열교환에 의해 상기 열교환 라인의 전단에서 유입되는 공기를 냉각하고 상기 열교환 라인의 후단에서 상기 열교환 라인을 통과하는 공기를 가열하며 외주연에 코팅층이 형성된 하나 이상의 파이프 본체를 포함하는 히트파이프 열교환기; 및 상기 열교환 라인 및 히트파이프 열교환기에 공기가 통과하도록 하고 이를 배기하기 위한 송풍팬;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로서 열교환라인의 코팅층은, 폴리아크릴산 수지 100중량부에 대해 금속분말 10 내지 20중량부, 상기 금속분말보다 입경이 작은 카본블랙 30 내지 50중량부, 전기로 정련 슬래그 10 내지 20중량부, 시트레이트 1 내지 2중량부, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.03 내지 2중량부, 카프릴산 및 폴리글리콜 혼합물 0.01 내지 0.05중량부를 포함하도록 할 수 있다.

하나의 예로서 상기 파이프본체는 'U'자 형상으로 상기 파이프본체의 코팅층은, 상기 열교환 라인의 전단 및 후단에 대향하는 양 측면부분에 제 1코팅층이 도포되고, 양 측면을 연결하는 부분에 제 2코팅층이 도포되는 것을 특징으로 하되, 상기 제 1코팅층은 폴리아크릴산 수지 100중량부에 대해 금속분말 10 내지 20중량부, 상기 금속분말보다 입경이 작은 카본블랙 30 내지 50중량부, 시트레이트 1 내지 2중량부가 더 포함되도록 하는 것을 특징으로 하며, 상기 제 2코팅층은 폴리아크릴산 수지 100중량부에 대해 금속분말 10 내지 20중량부, 세라믹 나노분말 30 내지 50중량부, 시트레이트 1 내지 2중량부가 더 포함되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

하나의 예로서 상기 히트파이프 열교환기는 'U'자 형상으로 내부에 수용공간이 구비되어 상기 파이프 본체가 상기 수용공간에 배치되도록 하며, 상기 열교환 라인의 전단 및 후단과 대향하는 양 측면부분이 개방된 형상의 케이싱이 더 구성될 수 있다.

여기서 상기 케이싱에는 상기 측면부분을 연결하는 부분으로 상기 열교환 라인과 대향하는 부분에는 단열판이 구성되도록 하는 것이 바람직하다.

하나의 예로서 상기 파이프 본체 내면에는 그 길이방향에 따라 작동유체의 흐름을 유도하기 위한 메쉬망 구조의 윅(wick)이 구성되도록 할 수 있다.

또한 하나의 예로서 상기 파이프 본체 내면에는 그 길이방향에 따라 작동유체의 흐름을 유도하기 위한 그루브 구조의 윅(wick)이 구성되도록 할 수 있다.

여기서 상기 파이프 본체의 그루브는 개방되는 상부폭과 하부폭의 너비가 다르게 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 항온항습기는 열교환 라인의 전, 후단을 수용하도록 히트파이프 열교환기를 설치하여 습도 조절 시 별도의 동력 없이도 통과 공기에 대한 예냉 및 재열을 실시하도록 함으로써 에너지 소비를 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명의 항온항습기는 코팅층에 의해 방청은 물론 코팅으로 인한 열교환손실을 제어할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 항온항습기를 설명하기 위한 개략도.
도 2는 본 발명의 항온항습기를 설명하기 위한 개략도.
도 3은 본 발명의 항온항습기의 일 실시 예를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 항온항습기의 작동 상태를 설명하기 위한 개략도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 히트파이프 열교환기의 파이프 본체를 나타내는 종단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 히트파이프 열교환기의 파이프 본체를 나타내는 횡단면도 및 종단면도.
도 7a 및 도 7b는 도 6의 그루브의 각도에 대한 실시 예를 나타내는 사시도.
도 8a 내지 도 8b는 도 6의 그루브의 형성에 대한 실시 예를 나타내는 횡단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 항온항습기에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 열교환 라인의 전단 및 후단을 감싸도록 구성되는 히트파이프 열교환기(50)를 구비함으로써 에너지 절감을 도모하도록 하는 항온항습기에 관한 것이다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 열교환 라인 전단에서 통과하는 공기는 상기 히트파이프 열교환기(50)에 의해 예냉되어 상기 열교환 라인의 냉각 부하와 온도를 저감시켜 제습량을 늘리는 동시에 상기 열교환 라인 전단에서 예냉된 만큼 열교환 라인 후단에서는 다른 에너지를 사용하지 않고도 상기 히트파이프 열교환기(50)에 의해 재열됨에 따라 별도의 예냉 또는 재열 수단이 필요하지 않게 되는 것이다.

또한 본 발명에 있어 열교환 라인의 전단이라 함은 외부로부터 유입되는 공기가 열교환 라인을 통과하는 방향을 기준으로 상기 공기가 유입되는 측을 의미하며, 열교환 라인의 후단이라 함은 상기 공기가 열교환 라인을 통과하여 배출되는 측을 의미한다.

여기서 상기 열교환 라인은 작동 유체가 유입되고 작동 유체의 열교환에 따라 유동하는 공기를 냉각하는 것으로, 실질적으로 습도 조절을 요하는 공간으로 감습된 공기를 제공하게 된다. 이에 상기 열교환 라인은 응축기, 압축기 및 증발기 등을 포함하는 일반적인 항온항습기에서는 증발기가 해당될 수 있으며, 외부의 냉동기에서 제조된 냉수 또는 브라인을 열원으로 사용하는 항온항습기의 경우에는 냉각코일이 해당될 수 있다.

이하에서는 일반적인 항온항습기에서의 증발기를 열교환 라인의 일 예로써 설명한다. 그러나 본 발명에 있어 상기 열교환 라인은 증발기에 한정되는 것이 아니라 앞서 설명한 바와 같이 냉수 또는 브라인을 열원으로 사용하여 냉각 작용을 수행하는 냉각코일 역시 적용될 수 있음은 당연하다.

본 발명의 항온항습기는 통상의 항온항습기의 구조와 동일하게 이루어질 수 있는 바, 도 4에 도시된 바와 같이 압축기(10)와, 응축기(20)와, 팽창밸브(400) 및 증발기(40)를 포함하며 이들이 열교환 과정을 수행함에 따라 기화와 액화를 반복하며 상호 순환되는 구조로 구성된다.

상기 압축기(10)는 냉매(이하 '작동유체'라 칭함)를 압축하기 위한 것으로, 상기 증발기(40)로부터 이동되는 기체 상태의 저압 작동유체를 압축하여 고온, 고압 상태로 변환하고 이렇게 압축된 고온, 고압의 작동유체를 상기 응축기(20)로 토출한다.

상기 응축기(20)는 상기 압축기(10)로부터 토출되는 고온, 고압의 작동유체를 냉각함으로써 열을 빼앗아 응축 변화시킴으로써 기체 상태의 작동유체를 액화하도록 한다.

이때, 상기 응축기(20)의 냉각 방식은 수냉식 또는 공냉식 등 공지기술 등을 통해 다양하게 실시될 수 있으나, 본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이 냉각팬(200)과 상기 응축기(20)의 유체관을 감싸도록 구성되며 상기 냉각팬(200)의 냉각 공기로 인해 상기 유체관을 냉각하는 냉각핀(210)을 구비하고 이러한 냉각팬(200)과 냉각핀(210)을 통해 냉각을 실시하는 공냉식 냉각 방식을 일 예로 제시하고 있다.

그리고, 상기 응축기(20)에서 액화 변환된 작동유체는 수액기(30)로 이동되어 일시 저장된다. 상기 수액기(30)는 상기 응축기(20)와 증발기(40) 사이에 설치되며 이하에서 설명하는 증발기(40)의 부하 변동에 따른 작동유체 량의 변화를 흡수하여 공조장치의 운전을 원활하게 하는 것으로, 이러한 수액기(30)는 선택적으로 적용될 수 있음은 당연하다.

상기 증발기(40)는 상기 응축기(20)에서 액화된 고온, 고압의 작동유체가 증발기(40)에 설치된 팽창밸브(400)를 통과하면서 저온, 저압의 작동유체로 변화하게 되고 피 냉각체(유동하는 공기)와 열교환이 되면서 작동유체가 증발되어 피 냉각체의 열을 흡수함으로써 냉각 작용을 실시하게 되는 것이다.

이렇게 증발에 따른 열교환으로 냉각된 공기는 송풍기 등과 같은 송풍 수단을 이용하여 냉각이 요구되는 공간으로 토출하게 되는 것으로, 상기 증발기(40)는 그 관 외부를 감싸는 복수의 핀 구조로 구성되어 상기 증발기(40)를 통과하는 외부 공기로 열전달을 원활히 하며 단시간에 유입된 공기를 냉각할 수 있도록 함이 바람직하다. 여기서, 상기 작동유체는 사용 온도에 적합하게 다양한 열전달 유체가 사용될 수 있으며, 최종적으로 열 교환 작용에 따른 온도는 상기 작동유체의 종류 및 증발기에서 열 교환되는 작동유체 량의 증감에 따라 결정될 수 있다.

특히 본 발명은 상기 열교환라인 즉 증발기(40)의 외주연에 코팅층이 도포되도록 하는 바, 상기 코팅층은, 폴리아크릴산 수지 100중량부에 대해 금속분말 10 내지 20중량부, 상기 금속분말보다 입경이 작은 카본블랙 30 내지 50중량부, 전기로 정련 슬래그 10 내지 20중량부, 시트레이트 1 내지 2중량부, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.03 내지 2중량부, 카프릴산 및 폴리글리콜 0.01 내지 0.05중량부를 포함하도록 배합됨에 특징이 있다.

우선 상기 코팅층에는 주제로 폴리아크릴산 수지가 사용되는 바, 이는 수용성 바인더로서 코팅층에 수성을 부가한다.

상기 금속분말은 이산화티타늄, 이산화규소, 망간 등 그 종류를 한정하지 않으며 이러한 금속분말이 코팅층에서 프레임으로서 기능을 하게 되어 코팅층의 강도를 보강하게 되는 것이다. 이에 상기 금속분말보다 입경이 작은 카본블랙이 상기 배합비로 배합되는 바, 이는 상기 금속분말에 의해 형성된 프레임에 미세입자의 카본블랙이 충진되어 밀실한 구조가 도모되도록 하는 것이며 이러한 밀실한 구조에 의해 증발기(40)의 방청성을 배가시키도록 하는 것이다. 특히 상기 카본블랙은 열전도성이 우수한 물성을 가지고 있어 금속분말과 더불어 증발기(40)에서 열교환이 용이하게 이루어지도록 하여 코팅으로 인한 열교환효율의 저하를 제어할 수 있는 것이다. 또한 상기 코팅층에 카본블랙을 배합하는 이유는 열전도성을 위해 금속분말만을 배합하는 경우 부식에 의한 방청의 문제가 있는 바, 부식에 대한 저항성이 있으면서 열전도성이 좋은 카본블랙을 배합토록 하는 것이다. 상기 카본블랙의 배합범위를 한정하는 이유는 30중량부 미만의 경우 방청성 및 열전도성 증진의 기능을 발현시키기 어려우며, 50중량부를 초과하는 경우 비경제적이며 오히려 물성이 저하되는 문제에 기인한 것이다.

이에 더하여 상기 코팅층에는 전기로 정련 슬래그 10 내지 20중량부가 더 배합되도록 하는 바, 상기 전기로 정련 슬래그는 상기 코팅층에 있어 충진제로서 강도를 더욱 보강하기 위해 첨가하는 것이며 또한 피도포체와 열팽창계수가 유사하여 열팽창률의 차이로 인한 균열 등을 방지하도록 하기 위한 것이다. 이에 더하여 상기 코팅층에 염화암모늄을 더 첨가하는 이유는 상기 증발기(40)에서 반복되는 열교환에 의해 코팅층에 과도한 기포(CO₂)가 발생될 수 있는데 이는 결국 코팅층의 강도를 저하시키는 결과를 초래하므로 전기로 정련 슬래그와 염화암모늄의 작용에 의해 기포(CO₂)의 발생을 제어토록 하는 것이며, 그 결과물로 발생되는 침강성 탄산칼슘(CaCO₃)이 충진제로서 기능을 하게 되므로 강도를 더욱 보강하게 되기 때문이다. 여기서 전기로 정련 슬래그를 사용하는 이유는 슬래그에 있어 산화칼슘(CaO)의 함량이 제일 높기 때문으로 타 슬래그를 사용하는 경우보다 기포(CO₂) 제거에 의해 강도저하를 방지하고 그 결과물로서 침강성 탄산칼슘(CaCO₃)이 생성되도록 하여 강도에 기여하는 바가 크기 때문이다. 이는 염화암모늄이 전기로 정련 슬래그의 CaO와 반응하여 염화칼슘(CaCl₂)과 수산화암모늄(NH₄OH)이 생성되도록 하는 것이며, 염화칼슘(CaCl₂), 수산화암모늄(NH₄OH), 탄산가스(CO₂)가 반응하여 침강성 탄산칼슘(CaCO₃)이 생성되도록 하는 작용기작에 기인하는 것이다.

이에 더하여 상기 코팅층에는 카프릴산 및 폴리글리콜의 혼합물 0.01 내지 0.05중량부가 더 배합되도록 하는 바, 상기 카프릴산 및 폴리글리콜은 각각 일정한 상전이온도(phase transition temp)에서 상변화에 필요한 열량을 외부에서 흡수하거나 방출되도록 하는 특성을 지니는 것으로, 코팅층이 각각 상전이온도에 도달하게 되면 물리적인 상변화에 의해 열을 흡수하거나 방출토록 하여 냉각효율을 높이고 과부하를 방지하도록 한다.

또한 상기 코팅층에는 폴리아크릴산 수지 100중량부에 대해 1 내지 2중량부의 시트레이트가 더 포함되도록 하는데, 이와 같이 시트레이트가 더 배합되도록 하는 이유는 상기 금속분말에 의해 형성된 프레임에 입자가 작은 카본블랙, 전기로 정련 슬래그 등이 전체 코팅층에 걸쳐 균일하게 분포되도록 하여 균일한 물성이 발현되도록 하기 위한 것이다. 즉 입자가 작은 카본블랙의 경우 입자가 작아 상호간에 응집되려는 경향이 있으므로 이를 그대로 배합하는 경우 불균일한 충진에 의해 균일한 물성의 확보를 담보할 수 없기 때문에 상기 시트레이트를 더 배합토록 하는 것이다. 이렇게 상기 시트레이트가 카본블랙의 균일한 충진이 이루어지도록 하는 이유는 입자 간에 반발력을 제공하여 입자 간의 응집을 제어함으로써 균일한 충진이 이루어지도록 하기 위한 것이다. 다시 말해 카본블랙 사이에서 반발 정전기력을 우세하게 함으로써 입자 간의 응집을 야기하는 반데르발스 힘에 반작용을 제공하게 되는 것이다.

이와 같이 본 발명은 증발기(40)에 상기에서 언급한 코팅층이 도포되도록 하여 강도를 증대시킴에 의해 방청은 물론 코팅으로 열교환효율의 저하를 방지한다.

한편, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같이 습도를 제어함에 있어 불필요하게 사용되는 에너지를 절감하기 위한 것으로 상기 증발기(40)의 전단 및 후단을 감싸도록 구성되는 히트파이프 열교환기(50)를 더 포함하여 구성됨에 특징이 있다.

기존의 항온항습기에서는 송풍 공기의 상대습도를 강하시키기 위하여 선행적으로 냉각코일에서 과다하게 냉각을 실시하여 제습량을 늘린 후, 다시 과다하게 냉각된 온도를 설정 온도로 맞추기 위하여 후 공정에서 재열을 실시하는 등 이러한 공정의 악순환으로 많은 에너지를 소모토록 하는 문제가 있었다. 즉, 기존 항온항습기기의 경우 예냉과 재열을 실시하기 위하여 별도의 예냉 수단 및 재열 수단이 필요하였다.

이에 본 발명에서는 외부 동력 없이도 자체적으로 열교환을 통해 예냉과 재열 기능을 수행하는 히트파이프 열교환기(50)를 상기 증발기(40)의 전단과 후단에 배치함으로써 에너지 절감을 극대화할 수 있는 것이다.

구체적으로, 본 발명은 상기 증발기(40)의 외부를 수용하며 내재된 작동 유체의 열교환에 의해 상기 증발기(40)로 유입되는 공기를 냉각함과 더불어 상기 증발기(40)를 통과하는 공기를 가열하는 히트파이프 열교환기(50)와, 상기 증발기(40) 및 히트파이프 열교환기(50)에 공기가 통과하도록 하고 이를 요구되는 공간으로 배기하기 위한 송풍팬(60)을 더 포함한다.

상기 히트파이프 열교환기(50)는 도 3에 도시된 바와 같이 'U'자 형상으로 홈부(501)와 내부에 수용공간(502)이 구비되는 케이싱(500)과, 상기 케이싱(500)의 수용 공간(502)을 따라 배치되는 복수의 파이프 본체(510) 및 상기 파이프 본체(510)에 충진되어 유동하는 공기와 열교환을 실시하는 작동유체(520)로 구성된다.

상기 케이싱(500)은 수평 또는 수직 프레임의 결합에 의해 직립형으로 구성되며, 각 측면은 외부로부터 유입되는 공기가 통과할 수 있도록 개방되어 있다. 즉 'U'자 형상으로 내부에 수용공간이 구비되어 상기 파이프 본체(510)가 상기 수용공간(502)에 배치되도록 하며, 상기 홈부(501)에 상기 증발기(40)가 배치되도록 하고, 상기 증발기(40)의 전단 및 후단과 대향하는 양 측면부분(도 4에서 A부분)이 개방된 형상으로 구성되는 것이다. 이렇게 상기 케이싱(500)이 증발기(40)의 전단 및 후단과 대향하는 양 측면부분(도 4에서 A부분)만 개방되도록 하는 것은 유동하는 공기와 열교환이 이루어지도록 하기 위함과 동시에 상기 케이싱(500) 양 측면부분을 연결하는 부분 즉 도 4에서 B부분은 폐 단면을 형성토록 함으로써 파이프 본체(510)를 유동하는 작동유체가 B부분에서 열교환이 이루어짐에 따라 효율이 저하되는 것을 방지하고자 함이다.

이를 위해 상기 케이싱(500)에는 도 3에서 보는 바와 같이 상기 측면부분을 연결하는 부분(B부분)으로 상기 증발기(40)와 대향하는 부분에 단열판(503)이 구성되도록 하여 A부분에서만 열교환이 이루어지고 B부분에서는 열교환을 차단하여 효율을 배가시키도록 하는 것이다. 상기 단열판(503)은 다양한 공지의 재질을 이용할 수 있으며 착탈구조로 구성할 수도 있다.

상기 파이프 본체(510)는 앞서 설명한 바와 같이 상기 케이싱(500)의 수용공간(502)에서 케이싱(500)의 길이방향을 따라 설치되는 것으로, 케이싱(500)의 형상과 대응하도록 'U'자 형 구조를 취한다. 그리고 상기 파이프 본체(510)는 그 내부에 상기 작동유체(520)를 수용하되 상기 작동유체(520)가 열교환에 따라 일단에서 타단으로, 또는 타단에서 일단으로 유동 및 순환될 수 있는 구조를 취한다.

그리고 상기 파이프 본체(510)는 복수로 구성되어 각 파이프 본체(510)가 일정한 이격 거리를 가지고 상기 케이싱(500)의 수용공간(502)에서 나란히 배치되며, 그 일단이 상기 증발기(40)의 전단과 대향하도록 설치되며, 그 타단은 상기 증발기(40)의 후단과 대향하도록 설치된다.

여기서, 상기 파이프 본체(510)는 열전달율이 우수한 알루미늄 또는 구리로 제작되는 것이 바람직하며, 내면에는 그 길이방향으로 열교환에 따라 액화된 작동유체(520)의 흐름을 유도하기 위한 윅(wick)이 구성되어 있다. 단 부식성 가스가 통과 할 경우에는 내식성 재질을 사용할 수 있다.

상기 윅은 작동유체(520)의 순환 과정에 필수로 구비되는 구성으로, 모세관 구조로 구성되어 액체 상태의 작동유체(520)를 응축부에서 증발부로 귀환하도록 한다. 즉, 상기 윅은 액체의 표면 장력에 의한 모세관 현상과 중력을 이용하여 액화된 작동유체(520)를 귀환시키는 것으로, 이러한 윅은 이하에서 상세히 설명하기로 한다.

상기 작동유체(520)는 상기 파이프 본체(510) 내부에 충진되어 기체, 액체의 상변화에 의해 열을 수송하는 역할을 하는 것으로, 증발기(40)를 순환하는 작동유체와 마찬가지로 사용 온도에 적합하게 다양한 열전달 유체가 사용될 수 있다.

한편, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 항온항습기의 작동상태를 설명한다.

작동상태를 설명하기에 앞서 상기 히트파이프 열교환기(50)의 일단은 상기 증발기(40)의 전단과 대향하는 부분으로 이를 증발부(50A)로 칭하며, 히트파이프 열교환기(50)의 타단은 상기 증발기(40) 후단과 대향하는 부분으로 이를 응축부(50B)로 칭한다.

또한, 상기 히트파이프 열교환기(50)의 작동유체(520)는 일정한 온도에 상당하는 압력을 가진 기체 상태의 작동유체(520A)와 기체로 변하지 않은 여분의 액체 상태의 작동유체(520B)를 포함하며 이러한 여분의 액체 상태의 작동유체(520B)는 파이프 본체(510)의 윅에 존재하게 된다.

먼저, 상기 송풍팬(60)에 의해 외부로부터 유입되는 공기는 상기 히트파이프 열교환기(50)의 증발부(50A)를 통과하게 되는데, 이러한 외부 공기는 상대적으로 증발기(40)의 출구온도보다 온도가 높음에 따라 증발부(50A)에 해당되는 파이프 본체(510) 내에 존재하는 작동유체(520A, 520B)는 열을 흡수하여 기화열을 받아 급격히 증발을 시작하기 때문에 상기 증발부(50A)에서는 기체압이 높아져 상기 응축부(50B)와 압력차가 발생하게 되고 이에 증발된 기체 상태의 작동유체(520A)가 응축부(50B)로 이동하게 된다.

이렇게 상기 히트파이프 열교환기(50)의 증발부(50A)에서는 윅 내에 존재하는 액체 상태의 작동유체(520B)가 증발부(50A)를 통과하는 공기에서 열을 흡수하여기체 상태의 작동유체(520A)로 상 변화하는 과정에서 열을 흡수하게 됨에 따라 통과 공기에 대한 예냉이 수행되는 것이다.

또한, 상기 증발부(50A)에서의 상변화에 따른 열에너지는 앞서 설명한 바와 같이 응축부(50B)로 이동하게 되는 것이다.

한편, 히트파이프 열교환기(50)의 응축부(50B)로 이동한 기체 상태의 작동유체(520A)는 증발기(40)에서 냉각된 공기와 열교환되어 상기 증발부(50A)로부터 흡수한 열에너지를 파이프 본체(510) 자체에서 방출하게 됨으로써, 상기 응축부(50B)와 접하게 되는 증발기(40)의 후단 측으로 열을 전달하게 되어 증발기(40)의 후단을 통과한 공기에 대하여 재열을 수행하게 되는 것이다.

이렇게 응축부(50B)에서 열을 방출한 작동유체(520A)는 다시 액체 상태의 작동유체(520B)로 액화되어 상기 파이프 본체(510)의 윅을 통해 상기 증발부(50A)로 귀환시키며, 상술한 예냉과 재열 과정을 반복적으로 수행할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 본 발명은 히트파이프 열교환기(50)를 이용하여 기화 및 액화의 상변화에 따른 열에너지 전달 및 순환 과정을 통해 상기 증발기(40)의 전단 및 후단에서 예냉과 재열을 각각 수행하게 됨으로써, 습도 제어 과정에서 별도의 동력이나 예냉 수단 또는 재열 수단이 필요하지 않아 에너지의 소비를 저감시킬 수 있으며 고효율 운용이 가능하다.

한편, 상기 파이프 본체(510)에 형성되는 윅은 앞서 설명한 바와 같이 작동유체(520)의 상변화에 있어 액체 상태의 작동유체를 응축부에서 증발부로 유동시키기 위한 것으로, 모세관 구조물로 구성되어 액체의 표면 장력에 의한 모세관 현상을 이용하게 되는데, 이때 모세관 압력은 액체 상태의 작동유체(520)를 응축부(50B)에서 증발부(50A)로 귀환시키는 구동력으로서 작용하게 된다.

이러한 파이프 본체(510)의 윅은 도 5에 도시된 바와 같이 파이프 본체(510)의 내면에 다공성의 메쉬망(511)을 형성하여 구성될 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이 파이프 본체(510) 내면에 홈을 형성하는 그루브(512) 구조로 구성될 수 있다.

본 발명에서는 그루브(512) 구조를 파이프 본체(510)의 윅으로 제시하고 있으며 이러한 그루부(512) 구조에 대하여 열전달 효율을 향상시킬 수 있는 다양한 실시예들을 제시한다.

구체적으로 상기 그루브(512) 구조의 윅은 도 7a에 도시된 바와 같이 원통체의 파이프 본체(510) 내주면에 상기 파이프 본체(510)의 길이 방향으로의 각도, 즉, 경사 각도가 0 deg인 것으로 상기 파이프 본체(510)의 길이 방향과 평행한 그루브(512)가 연속적으로 형성된 기본 구조를 취하고 있다.

뿐만 아니라, 상기 윅의 그루브(512)는 도 7b에 도시된 바와 같이 상기 파이프 본체(510)의 내주면에 상기 파이프 본체(510)의 길이 방향으로의 각도, 즉, 경사 각도가 0 deg 이상부터 90 deg 사이인 것으로, 상기 파이프 본체(510)의 길이 방향에 대해 평행하거나, 0 이상 90 사이의 선회 각도를 이루면서 그루브가 연속적으로 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 그루브(512)는 도 8a에 도시된 바와 같이 파이프 본체(510) 내부에서 파이프 본체(510)의 중심점을 향하는 개방부인 상부폭(D1)이 하부폭(D2)보다 작은 사다리꼴의 형태로 형성되어 그 내부의 단면적인 증가하게 된다.

여기서, 본 실시 예의 그루브(512)는 도 8b에 도시된 바와 같이 상기 하부폭(D2)의 양 모서리를 라운드(R) 처리하여 형성함으로써 단면적의 증가와 함께 액체 유로의 마찰이 감소될 수 있다.

또한, 도 8c에서 도시하는 그루브(512)는, 그루브(512)의 하부폭(D2)의 내측에 홈(513)을 형성된 것이며, 도 8d에서 도시하는 그루브(512)는, 그루브(512)의 하부폭(D2)의 내측에 돌기(514)를 형성한 것이다.

이렇게 그루브(512)의 하부폭(D2)에 홈(513) 또는 돌기(514)를 구성하는 것은 히트파이프 열교환기(50)의 일단(증발부)(50A)에서 타단(응축부)(50B)으로 전달해야 할 열 부하가 클 때에는 증발부(50A)에서 단위 시간당의 액체 증발량이 많아지므로 계속적인 열 전달을 보장하기 위해서 응축부(50B)에서 증발부(50A)로 액체의 빠른 재순환이 이루어지며(그루브의 단면적인 증가됨), 작동유체(520)의 순환은 압력 차에 의해 이루어지므로 구조적으로 유발되는 모세관 압력(ΔPcap)이 액체 유로 및 기체 유로에서의 압력 손실(ΔP1 및 ΔPv) 그리고 액체-기체 계면에서의 손실(ΔPph), 중력장 내에서는 증발부(50A)와 응축부(50B)의 상대적 높이 차에 의해서도 액체의 압력 구배(ΔPg) 등을 보상하고도 충분할 정도로 그루브(512)가 형성되는 것이다.

상술한 인자를 고려하면 정상적인 히트파이프 열교환기(50)의 작동을 위한 압력 관계식은 아래와 같이 된다.

ΔPcap ≥ ΔP1 + ΔPv + ΔPph + ΔPg

따라서 본 발명은 히트파이프 열교환기(50)의 고효율화를 도모하기 위해 상기 ΔPcap을 크게 하며, 상기 ΔP1을 작게 하는 그루브(512) 형상을 제시하는 것이다.

따라서, 히트파이프 열교환기(50)의 타단(응축부)(50B)에서 일단(증발부)(50A)으로 귀환하는 작용력을 극대화 하기 위해 모세관 압력(ΔPcap)이 최대로 되고, 액체 유동로에서의 유동의 마찰을 감소시켜 액체 유동로에서의 압력 손실(ΔP1)이 감소되며, 또한 그루브(512)의 단면적을 증가시킴으로써, 응축부(50B)와 증발부(50A)에서의 열전달 면적을 증가시킴으로써 열 전달 효율을 증대할 수 있게 되는 것이다.

한편 본 발명에서는 상기 파이프본체(510)에 있어 반복되는 열교환 과정에서 외부 수분 등에 의해 부식 등이 발생되는 경우 작동유체가 누설되는 문제를 제어하고 특히 공기가 유동하는 부분에서만 열교환이 이루어지도록 하여 그 효율을 배가시키기 위해 상기 파이프본체(510)의 외주연에 코팅층이 형성되도록 하는 예를 제시한다.

즉 상기에서 언급한 바와 같이 상기 파이프본체(510)는 'U'자 형상으로 상기 열교환 라인(증발기(40))의 전단 및 후단에 대향하는 양 측면부분에 제 1코팅층이 도포되도록 하며, 양 측면을 연결하는 부분에 제 2코팅층이 도포되도록 하는 것이다. 도 4에서 보는 바와 같이 A부분에는 제 1코팅층이 도포되도록 하고 B부분에는 제 2코팅층이 도포되도록 하는 것이다.

우선 상기 제 1코팅층 및 제 2코팅층에는 주제로 폴리아크릴산 수지가 사용되는 바, 이는 수용성 바인더로서 코팅층에 수성을 부가하도록 하는 것이다.

상기 제 1코팅층의 조성은 폴리아크릴산 수지 100중량부에 대해 금속분말 10 내지 20중량부, 상기 금속분말보다 입경이 작은 카본블랙 30 내지 50중량부, 시트레이트 1 내지 2중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 금속분말은 이산화티타늄, 이산화규소, 망간 등 그 종류를 한정하지 않으며 이러한 금속분말이 작용하는 기능은 상기 증발기(40)의 코팅층에서 기 언급한바와 동일하여 그 설명을 생략한다.

특히 상기 카본블랙은 열전도성이 우수한 물성을 가지고 있어 금속분말과 더불어 파이프본체(510)의 A부분(도 4)에서 열교환이 용이하게 이루어지도록 하여 예냉 및 재열효율을 향상시키도록 하는 것이다. 또한 상기 제 1코팅층에 카본블랙을 배합하는 이유는 열전도성을 위해 금속분말만을 배합하는 경우 부식에 의한 방청의 문제가 있는 바, 부식에 대한 저항성이 있으면서 열전도성이 좋은 카본블랙을 배합토록 하는 것이다. 상기 카본블랙의 배합범위를 한정하는 이유는 30중량부 미만의 경우 방청성 및 열전도성 증진의 기능을 발현시키기 어려우며, 50중량부를 초과하는 경우 비경제적이며 오히려 물성이 저하되는 문제에 기인한 것이다.

한편 상기 제 2코팅층은 폴리아크릴산 수지 100중량부에 대해 금속분말 10 내지 20중량부, 세라믹 나노분말 30 내지 50중량부, 시트레이트 1 내지 2중량부가 포함되도록 배합되는 것에 특징이 있다. 상기 제 2코팅층의 경우도 금속분말이 프레임으로서 기능을 하도록 하며, 세라믹 나노분말이 프레임에 충진되도록 하여 밀실한 구조에 의해 방청성을 향상시키도록 하는 것은 제 1코팅층과 동일하다. 단 제 2코팅층의 경우는 금속분말에 의한 프레임에 세라믹 나노분말을 충진토록 하여 단열성을 향상시키도록 하기 위함이다. 즉 도 4에서 B부분에서의 열교환을 방지하여 효율을 향상시키도록 하기 위함이다. 상기 세라믹 나노분말은 열팽창계수가 낮아 열차단 기능을 제 2코팅층에 부여하기 위한 것으로, 이렇게 세라믹 나노분말이 배합됨으로써 상기 파이프본체(510)로부터 외부에 열전달을 차단하여 작동유체의 원활한 유동, 예냉 및 재열효율을 높이기 위함이다. 세라믹 나노분말로는 다양한 재질이 사용될 수 있으나 예로 지르코늄, 산화마그네슘 등이 사용될 수 있다. 상기 세라믹나노분말의 경우도 배합범위를 한정하는 이유는 30중량부 미만의 경우 방청성 및 열차단성 증진의 기능을 발현시키기 어려우며, 50중량부를 초과하는 경우 비경제적이며 오히려 물성이 저하되는 문제에 기인한 것이다.

또한 상기 제 1코팅층 및 상기 제 2코팅층에는 공히 폴리아크릴산 수지 100중량부에 대해 1 내지 2중량부의 시트레이트가 더 포함되도록 하는데, 이와 같이 시트레이트가 더 배합되도록 하는 이유는 상기 금속분말에 의해 형성된 프레임에 입자가 작은 카본블랙 및 세라믹 나노분말이 전체 코팅층에 걸쳐 균일하게 분포되도록 하여 균일한 물성이 발현되도록 하기 위한 것이다. 즉 입자가 작은 카본블랙 및 세라믹 나노분말의 경우 입자가 작아 상호간에 응집되려는 경향이 있으므로 이를 그대로 배합하는 경우 불균일한 충진에 의해 균일한 물성의 확보를 담보할 수 없기 때문에 상기 시트레이트를 더 배합토록 하는 것이다. 이렇게 상기 시트레이트가 카본블랙 및 세라믹 나노분말의 균일한 충진이 이루어지도록 하는 이유는 입자 간에 반발력을 제공하여 입자 간의 응집을 제어함으로써 균일한 충진이 이루어지도록 하기 위한 것이다. 다시 말해 카본블랙 및 세라믹 나노분말 사이에서 반발 정전기력을 우세하게 함으로써 입자 간의 응집을 야기하는 반데르발스 힘에 반작용을 제공하게 되는 것이다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

10 : 압축기 20 : 응축기
30 : 수액기 40 : 증발기
50 : 히트파이프 열교환기 60 : 송풍팬
500 : 케이싱 510 : 파이프 본체
520 : 작동유체

Claims

작동 유체가 내부로 유동하여 외부의 공기와 열교환이 이루어지도록 하며 외주연에 코팅층이 형성된 열교환 라인;
상기 열교환 라인의 전단 및 후단을 감싸는 형상으로 내재된 작동 유체의 열교환에 의해 상기 열교환 라인의 전단에서 유입되는 공기를 냉각하고 상기 열교환 라인의 후단에서 상기 열교환 라인을 통과하는 공기를 가열하며 외주연에 코팅층이 형성된 하나 이상의 파이프 본체를 포함하는 히트파이프 열교환기; 및
상기 열교환 라인 및 히트파이프 열교환기에 공기가 통과하도록 하고 이를 배기하기 위한 송풍팬;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지절감형 항온항습기.
제 1항에 있어서,
열교환라인의 코팅층은,
폴리아크릴산 수지 100중량부에 대해 금속분말 10 내지 20중량부, 상기 금속분말보다 입경이 작은 카본블랙 30 내지 50중량부, 전기로 정련 슬래그 10 내지 20중량부, 시트레이트 1 내지 2중량부, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.03 내지 2중량부, 카프릴산 및 폴리글리콜 혼합물 0.01 내지 0.05중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지절감형 항온항습기.
제 1항에 있어서,
상기 파이프본체는 'U'자 형상으로 상기 파이프본체의 코팅층은, 상기 열교환 라인의 전단 및 후단에 대향하는 양 측면부분에 제 1코팅층이 도포되고, 양 측면을 연결하는 부분에 제 2코팅층이 도포되는 것을 특징으로 하되,
상기 제 1코팅층은 폴리아크릴산 수지 100중량부에 대해 금속분말 10 내지 20중량부, 상기 금속분말보다 입경이 작은 카본블랙 30 내지 50중량부, 시트레이트 1 내지 2중량부가 더 포함되도록 하는 것을 특징으로 하며,
상기 제 2코팅층은 폴리아크릴산 수지 100중량부에 대해 금속분말 10 내지 20중량부, 세라믹 나노분말 30 내지 50중량부, 시트레이트 1 내지 2중량부가 더 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지절감형 항온항습기.
제 1항에 있어서,
상기 히트파이프 열교환기는
'U'자 형상으로 내부에 수용공간이 구비되어 상기 파이프 본체가 상기 수용공간에 배치되도록 하며, 상기 열교환 라인의 전단 및 후단과 대향하는 양 측면부분이 개방된 형상의 케이싱이 더 구성됨을 특징으로 하는 에너지절감형 항온항습기.
제 4항에 있어서,
상기 케이싱에는 상기 측면부분을 연결하는 부분으로 상기 열교환 라인과 대향하는 부분에는 단열판이 구성되도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지절감형 항온항습기.
제 1항에 있어서,
상기 파이프 본체 내면에는 그 길이방향에 따라 작동유체의 흐름을 유도하기 위한 메쉬망 구조의 윅(wick)이 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지절감형 항온항습기.
제 1항에 있어서,
상기 파이프 본체 내면에는 그 길이방향에 따라 작동유체의 흐름을 유도하기 위한 그루브 구조의 윅(wick)이 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지절감형 항온항습기.
제 7항에 있어서,
상기 파이프 본체의 그루브는
개방되는 상부폭과 하부폭의 너비가 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지절감형 항온항습기.