KR101782467B1 - 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체 - Google Patents

축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열원에 의해 가열되어 난방이 이루어짐과 동시에 열을 흡수하여 저장하고, 열원에 의한 가열이 중지된 후 냉각기에 저장된 열을 방출하는 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체에 관한 것이다.
본 발명의 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체는, 상부에 복수의 삽입홈이 형성되는 단열재; 상기 단열재 상부에 부착되는 방열재; 상기 삽입홈에 삽입되고, 히터에 의해 가열되어 상기 방열재로 열을 전달하며, 자체적으로 열을 흡수하여 저장하는 축열 히트파이프; 및 상기 방열재 및 축열 히트파이프를 덮는 절연지를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체{Heating structure with heat pipe}
본 발명은 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열원에 의해 가열되어 난방이 이루어짐과 동시에 열을 흡수하여 저장하고, 열원에 의한 가열이 중지된 후 냉각기에 저장된 열을 방출하는 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체에 관한 것이다.
히트파이프는 열전달수단으로서 전기, 전자 등의 산업분야, 농업분야 및 가정에서 널리 사용되고 있다. 이러한 히트파이프는 진공상태의 금속관 내에 비점이 낮고 증발잠열이 큰 작동유체를 주입하여 제작되는 것으로, 저압의 조건에서 작동유체가 쉽게 액체에서 증기로 상변화한다는 특징을 이용하여 상변화시의 잠열로써 열을 효율적으로 전달하는 장치이다.
한편, 등록실용신안 제20-0321237호에는 이러한 히트파이프를 이용한 축열식 난방패널이 개시되어 있다. 도 1은 종래의 히트파이프를 이용한 축열식 난방패널의 분해사시도이고, 도 2는 종래의 히트파이프를 이용한 축열식 난방패널의 결합단면도이다.
종래의 히트파이프를 이용한 축열식 난방패널은 축열재에 열을 전도할 수 있도록 전열히터를 축열재 가운데에 위치시킨 파이프에 히트파이프를 내측 가로방향으로 연결시켜 축열재의 축열 온도를 히트파이프로 빠르게 전도 유지시키는 것이다.
구체적으로 종래의 히트파이프를 이용한 축열식 난방패널은 상/하 판(101/102)의 사이에 히팅유닛(200)을 삽입하여 구성하되, 히팅유닛트(200)는 수납공간을 갖는 본체(201)에 축열재(202)를 충전하고, 축열재(202)에 열을 전도할 수 있도록 전열히터(204)를 축열재(202)와 접하게 위치시킨 파이프 내측 가로 방향으로 히트파이프(203)를 접합하여 정렬시킨다.
그러나 상기와 같은 종래의 히트파이프를 이용한 축열식 난방패널은 축열 및 방열효과가 떨어지고, 축열재를 가열하는데 많은 시간과 에너지가 소비되기 때문에 에너지 절감 효과도 적다.
대한민국 등록실용신안공보 제20-0405017호(2006.01.11.) 대한민국 등록실용신안공보 제20-0321237호(2003.07.28.)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 방열 및 축열 효과가 우수하고, 소비되는 에너지를 절감할 수 있는 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체는, 상부에 복수의 삽입홈이 형성되는 단열재; 상기 단열재 상부에 부착되는 방열재; 상기 삽입홈에 삽입되고, 히터에 의해 가열되어 상기 방열재로 열을 전달하며, 자체적으로 열을 흡수하여 저장하는 축열 히트파이프; 및 상기 방열재 및 축열 히트파이프를 덮는 절연지를 포함하여 이루어진다.
구체적으로 상기 축열 히트파이프는, 어느 일 부분이 상기 히터에 의해 가열되는 제1 관체와, 상기 제1 관체의 내부에 충전되어 상기 제1 관체 전체로 열을 전달하는 제1 작동유체와, 상기 제1 관체의 내부에 삽입되는 제2 관체와, 상기 제2 관체의 내부에 충전되어 상기 제1 작동유체로부터 열을 흡수하여 저장하는 제2 작동유체로 이루어진다.
그리고 상기 방열재는 상기 삽입홈을 포함하는 상기 단열재의 상부 표면 전체에 부착되어 상기 삽입홈에 삽입되는 상기 축열 히트파이프를 감싼다.
구체적으로 상기 방열재는 활성탄 85 중량%, 셀락(shellac) 10 중량% 및 나머지 불가피한 불순물로 이루어진다.
본 발명의 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체는 자체적으로 열을 흡수하여 저장할 수 있는 축열 히트파이프를 구비함으로써, 방열 및 축열 효과가 우수하고, 소비되는 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 히트파이프를 이용한 축열식 난방패널의 분해사시도.
도 2는 종래의 히트파이프를 이용한 축열식 난방패널의 결합단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체의 분해사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체의 결합사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체의 단면구조도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 축열 히트파이프의 사시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 축열 히트파이프의 분해사시도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 축열 히트파이프의 제작과정을 순서대로 나타낸 도면.
본 발명은 열원에 의해 가열되어 난방이 이루어짐과 동시에 열을 흡수하여 저장하고, 열원에 의한 가열이 중지된 후 냉각기에 저장된 열을 방출하는 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체에 관한 것으로서, 자체적으로 열을 흡수하여 저장할 수 있는 축열 히트파이프를 구비함으로써, 방열 및 축열 효과가 우수하고, 소비되는 에너지를 절감할 수 있다. 이러한 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체는 난방을 위하여 바닥에 설치되거나 또는 침대 프레임, 의자(벤치) 등에 설치될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체는 도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 단열재(10), 방열재(20), 축열 히트파이프(30) 및 절연재(40)로 이루어진다.
도 3에 도시된 바와 같이 단열재(10)는 상부에 복수의 삽입홈(11)이 형성된다. 이러한 단열재(10)는 단열 효과가 우수한 압출발포 폴리스티렌(XPS)을 사용한다. 구체적으로 압출발포 폴리스티렌(XPS)은 표면 밀도 40kg/㎥, 압축 강도 148 kpa, 난연 B2급, 내산 내염도 980~1400 hcl/분, 열 확산 지수(x,y) 850~970, 산소 지수 20/LOI의 특성을 갖는다.
방열재(20)는 단열재(10) 상부에 부착된다. 즉 방열재(20)는 삽입홈(11)을 포함하는 단열재(10)의 상부 표면 전체에 부착된다. 이러한 방열재(20)는 열 압축에 의해 단열재(10)와 일체로 형성된다. 그리고 방열재(20)는 삽입홈(11)에 삽입되는 축열 히트파이프(30)를 감싸 접촉함으로써 히트파이프(30)로부터 열을 전달받는다. 이와 같이 방열재(20)는 단열재(10)의 상부에 일체로 형성됨으로써 단열 및 방열이 우수한 구조물이 된다.
구체적으로 방열재(20)는 활성탄 85 중량%, 셀락(shellac) 10 중량% 및 나머지 불가피한 불순물로 이루어진다. 활성탄은 입자 크기가 나노 단위인 활성탄으로서 알루미늄과 비교하여 목적 온도까지 도달하는 시간이 약 5배 빠르고, 가열 후 상온으로 냉각되는 시간은 1/15로 단축된다. 또한, 활성탄은 새집 증후군의 원인인 메탄올과 같은 휘발성 유기화합물과 여러 오염물질을 흡입하는 기능이 있어서 실내 공기를 쾌적하게 유지할 수 있다.
상기와 같이 일체로 형성된 단열재(10)와 방열재(20)는 단열재와 방열재를 별도로 사용하는 것보다 약 50%의 가격 하락을 기대할 수 있고, 작업이 편리하며 무게가 가볍다.
축열 히트파이프(30)는 삽입홈(11)에 삽입되고, 히터(미도시)에 의해 가열되어 방열재(20)로 열을 전달한다. 도 5에 도시된 바와 같이 축열 히트파이프(30)는 삽입홈(11)에 삽입되어 외부 표면이 방열재(20)와 접촉한다. 이러한 축열 히트파이프(30)는 자체적으로 열을 흡수하여 저장할 수 있다.
절연지(40)는 방열재(20) 및 복수의 축열 히트파이프(30)를 덮는다. 이러한 절연지(40)는 불소수지로 코팅되고, 절연 4000V 및 내열 온도 130도의 특성을 갖는다. 또한, 절연지(40)는 비중 1.4, 방수 99.9%, 내마모, 무독성 및 난연의 특성을 갖는다.
상술한 바와 같은 본 발명의 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체는 열손실을 최소화하고 열골현상 없이 바닥 전체에 고른 방열효과를 기대할 수 있다. 그리고 본 발명의 축열식 히트파이프를 이용하는 바닥 난방 구조체는 전술한 방열재(20)와 축열 히트파이프(30)를 이용함으로써 약 40%의 소비 에너지를 절감하여 에너지 소비 효율을 높일 수 있다.
이하, 본 발명의 축열 히트파이프(30)에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
축열 히트파이프(30)는 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 관체(100), 제1 작동유체(110), 제2 관체(200) 및 제2 작동유체(210)로 이루어진다.
제1 관체(100)는 중공형 관체로 일단이 히터(미도시)에 의해 가열된다. 그리고 제1 관체(100)의 내부에는 제1 작동유체(110)가 충전된다. 제1 작동유체(110)는 제1 관체(100)의 내부에 충전되어 제1 관체(100) 전체로 열을 전달한다. 즉 히터에 의해 제1 관체(100)의 일단이 가열되면, 제1 관체(100) 내부에 충전되어 있는 제1 작동유체(110)가 증기화되어 제1 관체(100) 전체로 열을 전달하고, 제1 관체(100)의 외부로 방열이 이루어진다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 작동유체(110)는 증류수 4~12 중량부, 1,2-프로필렌글리콜(1,2-propylene glycol; HOCH2CH3CHOH) 88~96 중량부 및 트리에탄올아민(triethanolamine; C6H15NO3) 0.0042~0.0046 중량부, 메틸벤조트리아졸(5-methtlbenzole; C7H7N3) 0.00035~0.00045 중량부 및 삼폴리인산나트륨(sodium tripolyphosphate; Na5P3O10) 0.00028~0.00032 중량부로 구성될 수 있다.
1,2-프로필렌글리콜은 상기와 같이 증류수와 정량의 비율로 혼합되어 열전달 및 열교환을 위한 운반체로서 우수한 효과를 갖는다. 그리고 1,2-프로필렌글리콜은 어는점이 -60℃로 증류수와 혼합되어 일반적인 사용조건 또는 그 이하의 온도(약 -40℃)에서 제1 작동유체(110)가 동결되지 않도록 한다. 그리고 트리에탄올아민은 제1 작동유체(110)가 130℃ 이내에서 끓지 않도록 한다. 이에 따라 제1 작동유체(110)는 약 -40~130℃ 에서 상변화가 일어나지 않고 제1 관체(100)의 내부 압력을 일정하게 안정적으로 유지할 수 있다. 이러한 트리에탄올아민의 비율을 조절하여 히트파이프에 의한 난방 가열온도의 상한점을 조절할 수 있다. 그리고 메틸벤조트리아졸은 부식 방지제로서 제1 관체(100)의 부식을 방지한다. 그리고 삼폴리인산나트륨은 제1 관체(100)의 내주면에 이물질이 형성되는 것을 방지한다. 제1 관체(100)의 내주면에 이물질이 형성되면 히트파이프의 방열효과가 떨어지는 문제점이 발생한다.
본 발명의 제1 작동유체(110)는 전술한 실시예 외에도 일반적인 히트파이프용 작동유체를 사용할 수 있다.
제2 관체(200)는 제1 관체(100)의 내부에 삽입된다. 그리고 제2 관체(200)의 내부에는 작동유체가 충전된다. 이러한 제2 작동유체(210)는 제1 작동유체(110)로부터 열을 흡수하여 저장하고, 제1 관체(100)보다 온도가 높으면 저장된 열을 방출한다.
구체적으로 제2 작동유체(210)는 제2 작동유체(210) 100 중량부에 대하여 프로필렌 글리콜(propylene glycol) 19~21 중량부, 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 17~19 중량부 및 글리세린(glycerin) 60~62 중량부, 트리에탄올아민(triethanolamine) 0.3 중량부, 톨리트리아졸(tolyltriazole) 0.7 중량부를 포함하는 혼합물인다.
프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 및 글리세린 혼합물은 고온에서 열을 잘 흡수하고, 오랜 시간 흡수한 열을 저장할 수 있다. 그리고 트리에탄올아민은 높은 온도에서 제2 작동유체(210)의 비등을 방지하기 위하여 제2 작동유체(210)에 첨가된다. 그리고 톨리트리아졸은 제2 관체(200)의 부식을 방지하기 위하여 제2 작동유체(210)에 첨가된다.
또한, 전술한 제2 작동유체(210)는 토르마린 분말 또는 맥반석 분말을 더 포함할 수 있다.
제2 작동유체(210)에 토르마린 분말을 첨가하면 축열 히트파이프(30)에서 음이온이 발생한다. 구체적으로 순도 99.99% 토르마린 분말을 나노화(입자크기 20㎚ 이하)하여 액상으로 분산하여 농축하고, 증류수를 희석하여 pH 7로 조절한 후 제2 작동유체(210)에 첨가한다.
음이온은 음전하를 띤 공기의 원자요소를 말하며, 활성탄소의 과잉발생을 억제하여 몸이 산성화되는 것을 막고 혈액순환을 원활하게 해주면서 세포벽을 재생시켜 인체의 면역기능을 강화하는 효과가 있다.
그리고 제2 작동유체(210)에 맥반석 분말을 첨가하면 히트파이프에서 원적외선이 방출된다. 구체적으로 맥반석 함량이 99.99%인 맥반석 분말을 입자크기 20㎚ 이하로 만들어 제2 작동유체(210)에 첨가한다. 이때, 제2 작동유체(210)에 대한 맥반석 분말의 체적비는 0.5~1%이고, 제2 작동유체(210)는 pH 7~7.5로 조절한다.
원적외선은 인체에 방사되면 피부 속 약 30~50mm까지 침투하여 1분에 2000번 이상 미세하게 흔들어주는 진동을 통해 세포를 활성화시키므로 혈액순환이 촉진되고, 동시에 열에너지가 발생하여 피부 깊숙한 곳으로부터 자연스럽게 땀을 발생시킨다. 그리고 이러한 과정 중에서 지방을 분해하고 피부 속 노폐물을 배출시킨다.
또한, 원적외선이 인체에 흡수되면 인체를 구성하고 있는 물분자의 진동이 커지고 세포조직이 활성화되어 피하층의 피부 온도 상승, 혈관 확장, 혈액순환 촉진, 신진대사 촉진 등의 효과가 나타난다. 그리고 발한작용에 의해 노폐물 및 유해성분이 효과적으로 배출되며, 인체구성 분자의 운동능력이 활성화되어 각종 효소계와 호르몬이 촉진된다.
다음은 도 8을 참조하여 축열 히트파이프(30)의 제작과정을 순서대로 설명한다.
먼저, 직경이 큰 제1 관체(100)와 직경이 작은 제2 관체(200)를 준비한다. 제1 관체(100)는 양단이 개방되어 있으며, 제2 관체(200)는 일단이 개방되고 타단이 막혀있는 구조이다.
이러한 제2 관체(200)를 제1 관체(100)의 내부로 삽입하고, 개방된 제2 관체(200)의 일단이 제1 관체(100)의 일단 외부로 돌출되도록 한다. 그리고 제1 관체(100)의 일단과 제2 관체(200) 사이의 공간을 차단하여 제1 관체(100)와 제2 관체(200)를 결합시킨다.
이후, 제2 관체(200)에 제2 작동유체(210)를 충전한 후 제2 관체(200)의 일단을 차단하여 밀봉한다. 제2 관체(200)에 충전되는 제2 작동유체(210)의 부피는 제2 관체(200)의 내부 공간의 약 40%이다.
그리고 제1 관체(100)에 제1 작동유체(110)를 충전한 후 제1 관체(100)의 타단을 차단하여 밀봉한다.
상술한 바와 같은 축열 히트파이프(30)는 난방을 할 때 제1 관체(100)의 양단 중 어느 일단이 히터와 결합되어 히터에 의해 가열된다. 이에 따라 제1 관체(100) 내부에 충전되어 있는 제1 작동유체(110)에 의해 열이 제1 관체(100) 전체로 전달되고, 제1 관체(100) 외부로 열이 방출되어 난방이 이루어진다. 이때, 제2 작동유체(210)는 제1 작동유체(110)로부터 열을 흡수하여 저장한다.
이후, 히터에 의한 제1 관체(100)의 가열이 중지되면, 가열된 제1 관체(100)의 온도가 하강하게 된다. 일반적인 히트파이프는 열원으로부터 열 공급이 차단됨에 따라 급격히 온도가 하강하여 냉각된다. 반면, 본 발명의 축열 히트파이프(30)의 경우 제1 관체(100)의 온도가 하강할 때 제2 작동유체(210)에 저장되어 있는 열이 외부로 방출된다. 즉 열원으로부터 열 공급이 차단됨에 따라 제1 관체(100)가 냉각될 때 제2 작동유체(210)로부터 열이 방출되고, 방출되는 열은 제1 작동유체(110)를 통해 제1 관체(100)로 전달되어 제1 관체(100)가 냉각되는 시간이 증가하고 열원으로부터 열 공급이 차단된 이후에도 지속적으로 열이 방출되어 난방이 이루어질 수 있다.
이에 따라 난방 효율을 증가시킬 수 있고 난방을 위한 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10 : 단열재, 11 : 삽입홈,
20 : 방열재, 30 : 축열 히트파이프,
40 : 절연재,
100 : 제1 관체, 110 : 제1 작동유체,
200 : 제2 관체, 210 : 제2 작동유체,

Claims (4)

  1. 상부에 복수의 삽입홈이 형성되는 단열재;
    상기 단열재 상부에 부착되는 방열재;
    상기 삽입홈에 삽입되고, 히터에 의해 가열되어 상기 방열재로 열을 전달하며, 자체적으로 열을 흡수하여 저장하는 축열 히트파이프; 및
    상기 방열재 및 축열 히트파이프를 덮는 절연지를 포함하여 이루어지되,
    상기 축열 히트파이프는,
    어느 일 부분이 상기 히터에 의해 가열되는 제1 관체와,
    상기 제1 관체의 내부에 충전되어 상기 제1 관체 전체로 열을 전달하는 제1 작동유체와,
    상기 제1 관체의 내부에 삽입되는 제2 관체와,
    상기 제2 관체의 내부에 충전되어 상기 제1 작동유체로부터 열을 흡수하여 저장하는 제2 작동유체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열재는 상기 삽입홈을 포함하는 상기 단열재의 상부 표면 전체에 부착되어 상기 삽입홈에 삽입되는 상기 축열 히트파이프를 감싸는 것을 특징으로 하는 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열재는 활성탄 85 중량%, 셀락(shellac) 10 중량% 및 나머지 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축열식 히트파이프를 이용한 바닥 난방 구조체.
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