KR102156851B1 - Pcm을 이용한 공조용 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공조용 열교환기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열교환 유체에 PCM(Phase Change Materials, 상변화 물질)을 첨가하여 PCM이 용융되면서 외부의 열을 흡수하는 동시에 냉매의 기화열을 함께 흡수함으로써 열교환의 효율을 매우 향상시킬 수 있는 PCM을 이용한 공조용 열교환기에 관한 것이다.

Description

PCM을 이용한 공조용 열교환기{Heat exchanger using PCM}

본 발명은 공조용 열교환기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열교환 유체에 PCM(Phase Change Materials, 상변화 물질)을 첨가하여 PCM이 용융되면서 외부의 열을 흡수하는 동시에 냉매의 기화열을 함께 흡수함으로써 열교환의 효율을 매우 향상시킬 수 있는 PCM을 이용한 공조용 열교환기에 관한 것이다.

ESS(Energy Storage System,에너지저장장치), 중계기, 교통신호기, 분전반 등과 같은 기기는 다양한 전자 장비들을 함체에 수용하여 제작된다.

한편, 전자 장비들을 동작하면서 열이 발생하는데 이 열은 함체 내부의 온도 상승을 유발하고 이 열에 의해 전자 장비의 수명이 단축되며 기능도 저하된다.

온도 상승이 심할 경우 전자 장비들은 오작동이나 동작 불능 상태가 발생하며, 화재에 의해 소실되기도 한다.

이러한 온도상승을 방지하기 위해 일반적으로 함체에는 온도 상승을 억제하기 위한 열교환기가 구비된다.

도 1은 종래의 공조용 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 공조용 열교환기(20) 함체(10) 내부에서 열을 흡수하고 외부의 냉각핀을 통해 흡수한 열을 방열한다.

또한, 상기 공조용 열교환기(20)는 히트 파이프 내부에 열교환 유체를 충전하여 제작되며, 이 열교환 유체가 액화 및 기화를 반복하면서 함체(10) 내부의 열을 외부로 방출한다.

종래의 공조용 열교환기(20)는 열교환 유체로 에탄올(ethnol) 또는 조용매(cosolvent)를 이용하는데 한 종류의 열교환 유체로 열교환을 효과적으로 수행하는데 한계가 있다.

본 발명은 상술한 한계를 극복하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 열교환 유체에 PCM을 첨가하여 열교환 성능을 매우 향상시킬 수 있는 공조용 열교환기를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 히트 파이프; 및 상기 히트 파이프의 내부에 충전되는 열교환 유체;를 포함하고, 상기 열교환 유체는 PCM(Phase Change Materials,상변화 물질)과 냉매를 포함하며, 상기 PCM은 상기 히트 파이프의 열과 상기 냉매의 기화열을 동시에 흡수하여 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 공조용 열교환기를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 냉매는 에탄올(ethnol) 또는 조용매(cosolvent)이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 PCM은 상기 냉매의 중량대비 0.05wt%로 포함된다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

본 발명의 공조용 열교환기에 의하면, 열교환 유체로 냉매 이외에 PCM을 추가하여 PCM이 용융되면서 외부의 열을 흡수하는 동시에 냉매의 기화열을 함께 흡수함으로써 열교환의 효율을 매우 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 공조용 열교환기를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조용 열교환기를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조용 열교환기와 종래의 공조용 열교환기의 표면온도를 보여주는 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조용 열교환기의 표면온도 증가를 열화상 카메라로 촬영한 것을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조용 열교환기의 열교환 유체가 가열된 후의 상태를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조용 열교환기의 열교환 유체가 가열된 후, 시간의 흐름에 따라 PCM이 석출되는 현상을 보여주는 도면이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조용 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공조용 열교환기(100)는 히트 파이프(110)와 열교환 유체(120)를 포함하여 이루어진다.

상기 히트 파이프(110)는 열전도체로 외부의 열을 상기 열교환 유체(120)로 전달하는 역할을 하며, 냉각이 필요한 함체(10)의 내부에서 외부로 연장되어 내부의 열을 외부로 방열한다.

또한, 상기 히트 파이프(110)는 열전도율이 뛰어난 구리소재로 제작이 가능하다.

상기 열교환 유체(120)는 상기 히트 파이프(110)의 내부에 충전되며, 함체(10) 내부의 열을 흡수하고 외부에서 열을 방출한다.

또한, 상기 열교환 유체(120)는 에탄올(ethnol) 또는 조용매(cosolvent)인 냉매에 PCM(Phase Change Materials,상변화 물질)을 첨가하여 이루어진다.

한편, 상변화 물질은 특정한 온도에서 온도의 변화 없이 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 또는 그 반대 방향으로 상이 변화되면서 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 잠열재, 축열재 또는 열 조절 기능을 하는 물질로써 자체적으로 주위의 열을 저장하였다가 필요할 때 방출하는 온도 조절 기능물질이다.

즉, 상기 PCM은 상기 히트 파이프(110)로 전달된 열을 액화되며 흡수하는 동시에 상기 냉매의 기화열을 함께 흡수하여 열교환 효율을 매우 향상시킬 수 있다.

도 3은 70도의 외부온도에서 본 발명의 일 실시예에 따른 공조용 열교환기(PCM+Ethanol)와 종래의 공조용 열교환기(Ethanol)의 표면온도를 보여주는 그래프이다.

도 3에서도 알 수 있듯이 PCM을 첨가한 본 발명의 열교환기의 온도가 더 낮게 측정되어 효과적인 열흡수를 수행하는 것을 알 수 있다.

또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조용 열교환기의 표면온도 증가를 열화상 카메라로 촬영한 것을 보여주는 도면으로 샘플1(1)은 PCM을 첨가하지 않은 에탄올, 샘플2(2)는 에탄올 5g에 PCM 0.05g을 첨가한 것, 샘플3(3)은 에탄올 5g에 PCM 0.1g을 첨가한 것, 샘플4(4)는 에탄올 5g에 PCM 0.15g을 첨가한 것이다.

또한, 도 4는 상기 샘플들을 80도로 설정된 핫 플레이트(Hot plate)에 올려놓고 표면 온도가 일정해질 때까지 열변화를 관찰한 것으로 도 4의 (a)는 10초 후, (b)는 1분후, (c)는 10분 후의 열화상 카메라 영상을 보여주는 것이다.

도 4에서도 알 수 있듯이, PCM이 가장 많이 첨가된 샘플4의 온도가 가장 늦게 증가하는 것을 알 수 있으며, 고체 상태의 PCM이 액체 상태의 에탄올에 분산되어 있더라도 상전이 물질이 열을 흡수하는 효과가 존재하는 것을 확인하였다.

도 5는 상기 샘플들이 가열된 후의 상태를 보여주는 것으로 네 가지 샘플(1,2,3,4) 모두 에탄올에 PCM이 녹아 투명해진 것을 확인할 수 있다.

도 6은 가열된 샘플들이 시간에 흐름에 따라 식으면서, PCM이 석출되는 현상을 관찰한 도면이다.

도 6을 참조하면, PCM이 에탄올에 용해된 후, 상온에서 자연 냉각되었을 때, 약 7분후에 샘플4에서 PCM이 고체화되어 석출되었으며, 약 14분 후에 샘플3에서 PCM이 고체화되어 석출되었다 그러나 샘플2에서는 PCM이 자연 냉각으로 석출되지 않았다.

즉, PCM이 에탄올의 기화 작용을 방해하지 않기 위해서는, 히트 파이프(110) 내부에서 액체 상태의 에탄올의 양이 일정이상 유지되어야 하는데 에탄올의 중량대비 PCM이 0.05wt로 첨가되었을 때, 자연 냉각으로 석출되지 않았으므로 PCM이 에탄올의 기화 작용(흡열반응)을 방해하지 않으면서도 PCM이 기능하는 것을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100:열 교환기 110:히트 파이프
120:열교환 유체

Claims (3)

1. 히트 파이프; 및
   상기 히트 파이프의 내부에 충전되는 열교환 유체;를 포함하고,
   상기 열교환 유체는 냉매인 액체상태의 에탄올(ethnol)에 고체상태의 PCM(Phase Change Materials,상변화 물질)을 분산시킨 것이고,
   상기 PCM은 상기 냉매의 중량대비 0.05wt%로 포함되며,
   상기 PCM은 열을 흡수한 후, 상온에서 자연 냉각될 때 고체화되어 석출되지 않고, 상기 히트 파이프의 열과 상기 냉매의 기화열을 동시에 흡수하여 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 공조용 열교환기.
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3. 삭제

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