KR102577662B1 - 방향성 열전달 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방향성 열전달 장치를 제공하기 위한 것으로, 곡면의 저방사율 방사표면과 평면의 고방사율 방사표면을 구비하여 저온공간에서의 열을 흡수 열전달부재로 방사하는 방사 열전달부재와; 상기 고방사율 표면에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 저방사율 흡수표면과 상기 저방사율 방사표면에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 고방사율 흡수표면을 구비하여 상기 방사 열전달부재에서 방사되는 열을 흡수하여 고온공간으로 전달하는 흡수 열전달부재;를 포함하여 구성함으로서, 열전달부재의 마주보는 표면을 저방사율과 고방사율의 곡면으로 구성하여 열전달 장치가 방향성을 갖도록 하여 단열성능을 향상시킬 수 있다.

Description

방향성 열전달 장치{Apparatus for directional heat transfer}
본 발명은 방향성 열전달 장치에 관한 것으로, 특히 열전달부재의 마주보는 표면을 저방사율과 고방사율의 곡면으로 구성하여 열전달 장치가 방향성을 갖도록 하여 단열성능을 향상시키기에 적당하도록 한 방향성 열전달 장치에 관한 것이다.
일반적으로 열에너지는 열역학 제2 법칙에 의해 고온계에서 저온계로 전도, 대류, 복사 모드를 통해 이동한다. 전도 및 대류에 의한 열전달은 매질에서의 온도구배가 있어야 하지만, 복사에 의한 열전달은 매질이 없어도 두 표면 사이의 상호 방사와 흡수를 통해 이루어진다.
표면에 의해 방사되는 열복사의 파장은 0.1~100um로 UV(ultraviolet, 자외선) 일부와 모든 가시광선 및 적외선을 포함하며, 이 범위가 열전달에 관련된다.
플랑크 분포(Planck distribution)와 빈의 변위 법칙(Wien's displacement law)에 의해 800K(800 - 273.15 = 526.85℃) 이하의 이상적인 흑체(black body)에서는 적외선만이 복사열전달에 관련되며, 300K 전후의 실제 표면에서는 5~45um 범위의 파장만이 열전달에 관련된다.
5~45um 범위의 열복사 스펙트럼은 반투명 매질에 조사될 때 표면에서 반사, 매질에 흡수, 매질을 투과하는 특성을 갖는다. 일반적인 전기부도체가 이에 해당되며, 광택이 있는 전기전도체는 대부분의 에너지를 반사한다.
이때 반사되는 에너지와 방사되는 에너지를 라디오시티(radiosity)라고 한다. 만약 표면이 흑체와 같이 확산반사체이고 확산방사체이면 모든 방향으로 균일한 에너지를 방사한다.
그러나 금속표면에 전기부도체 코팅된 표면(예, 무광택 페인트 코팅된 알루미늄 표면)은 조사되는 에너지 대부분을 흡수하고(α = 0.95) 일부만 반사한다(r = 0.05). 또한 표면 방사율(ε = 0.95)은 흡수율과 같다. 방사 방향은 흑체와 다르게 주로 수직방향으로 방사되며, 표면형상과 코팅된 재료의 분자량을 변경하여 방사의 방향을 제어할 수 있다.
또한 잘 연마된 알루미늄 표면은 반사율이 매우 높고(반사율 = 98%), 조사에너지의 입사각과 반사각이 같으며, 매우 낮은(약 0.02) 방사율을 갖는다.
복사열전달은 두 표면 사이의 상호 방사와 흡수를 통해 이루어진다. 이러한 원리를 통해 우주에서는 멀티레이어 단열재(multi-layer insulation, MLI)를 이용하여 우주복의 단열특성을 구현한다. 5800K의 태양표면에서 방사된 전자기파는 모든 열복사 스펙트럼을 포함하며, 특히 가시광선의 영역이 복사 강도가 가장 높다. 태양복사에 의해 가열되는 우주복은 약 400K 이하로서, 적외선영역의 전자기파만 방사한다. 따라서 우주복의 외부표면을 가시광선에 대한 흡수율은 낮고 적외선의 방사율이 높게 하여 태양복사로 인한 우주복의 온도상승을 방지할 수 있다. 또한 태양복사가 없을 때 우주복의 외부온도는 또한 120K 정도로서, 주로 30um 파장의 적외선을 방사하고, 체온 310K로 우주인은 주로 10um 파장의 적외선을 방사한다. 이때 우주복의 내부표면을 30um 파장의 적외선 방사율을 높이고 10um 파장의 적외선 방사율을 낮게 하여, 우주인으로부터 우주로의 열 손실을 최소화 할 수 있다.
그러나 우주복에서 사용되는 멀티레이어 단열재는 지구에서 사용하는데 한계가 있다. 키르히호프의 법칙에 의해 동일 파장대에서 방사율은 흡수율과 같다는 것이 알려져 있으며, 지구에서는 단열재 양면에 조사되고 양면에서 방사되는 적외선 스펙트럼이 거의 같기 때문에 양방향으로의 복사열전달양은 동일하다. 즉 고온표면과 저온표면간의 복사열전달은 서로 상쇄되어 순 열전달량은 0에 가깝게 된다.
한편 저온영역에서 고온영역으로 열에너지를 이동시키기 위해서 냉동사이클(Refrigeration cycle)을 이용하거나 펠티어소자(Peltier element)를 적용한다. 이러한 히트펌핑(Heat pumping) 장치 또는 소자는 일정량의 에너지를 소비한다.
또한 최근에는 냉장고와 같이 고성능 단열특성이 필요한 경우 진공 단열재(Vacuum insulation)를 적용하여 단열두께를 최소화 하면서 단열성능을 확보하고 있다.
이러한 진공 단열재(0.0035W/mK)는 기존의 발포우레탄(0.026W/mK)이나 유리섬유(0.039W/mK) 보다 낮은 열전도도를 갖는다. 진공단열재의 단열원리는 외피재 내부를 진공으로 유지하여 공기의 전도와 대류에 의한 단열성능 저하를 최소화한 것이다.
반사표면을 갖는 알루미늄 호일과 유리섬유를 이용한 멀티레이어 단열재는 극저온에서 0.000017W/mK의 열전도도를 갖는다. (출처 : 기계 로봇 연구정보센터, , '물성치테이블', 'Aluminum foil and glass paper laminate; 75-150 layers; evacuated;for cryogenic application (150K)')
선행 논문으로는 2018년에 Shanhui Fan 등은 표면에 나노 텍스쳐 및 열복사에 대한 다양한 문헌을 리뷰하여 열복사를 제어하는 기술을 요약하였다. [Optics Express, Vol. 26, No. 12]
또한 특허 문헌에서는 "진공단열재, 진공단열재의 제조방법 및 진공단열재를 포함하는 냉장고"[1018303740000]가 개시된 바 있다.
그러나 종래기술은 우주에서 사용하는 멀티레이어 단열재의 경우, 지구에서의 적외선 스펙트럼이 거의 같기 때문에 지구에서 사용하기에는 한계가 있었다. 즉, 멀티레이어 단열재에 대한 저방사율 표면처리를 통해서 단열성능 구현함에 있어서 열평형상태의 두 표면이 키르히호프 법칙에 의해 순(net) 복사열전달량이 "0"이 되어 단열성능을 향상시키기 어렵다. 그래서 멀티레이어 단열재의 단열성능을 향상시켜 지구에서도 적용할 수 있는 장치의 필요성이 대두되고 있다.
KR 10-18303740 B1
WEI LI AND SHANHUI FAN, Nanophotonic control of thermal radiation for energy applications, Optics Express, Vol. 26, No. 12, 11 Jun 2018
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 열전달부재의 마주보는 표면을 저방사율과 고방사율의 곡면으로 구성하여 열전달 장치가 방향성을 갖도록 하여 단열성능을 향상시킬 수 있는 방향성 열전달 장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 방향성 열전달 장치의 정면도이고, 도 2는 도 1의 일부 확대도이며, 도 3은 도 1의 측면도와 평면도이고, 도 4는 도 1의 분해사시도이다.
이에 도시된 바와 같이, 알루미늄 소재의 방사 모재(110)를 구비하고, 곡면의 저방사율 방사표면(120)과 평면의 고방사율 방사표면(130)을 구비하여 저온공간(500)에서의 열을 흡수 열전달부재(200)로 방사하는 방사 열전달부재(100)와; 알루미늄 소재의 흡수 모재(210)를 구비하고, 상기 고방사율 방사 표면(130)에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 저방사율 흡수표면(220)과 상기 저방사율 방사표면(120)에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 고방사율 흡수표면(230)을 구비하여 상기 방사 열전달부재(100)에서 방사되는 열을 흡수하여 고온공간(600)으로 전달하는 흡수 열전달부재(200);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 방사 열전달부재(100)의 방사 모재(110)와 상기 흡수 열전달부재(200)의 흡수 모재(110)는, 각각 알루미늄으로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 방사 열전달부재(100)의 상기 저방사율 방사표면(120)과 상기 흡수 열전달부재(200)의 저방사율 흡수표면(210)은, 각각 알루미늄 시트의 전해연마와 고순도 알루미늄의 증착으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 방사 열전달부재(100)의 상기 고방사율 방사표면(130)과 상기 흡수 열전달부재(200)의 고방사율 흡수표면(230)은, 각각 비금속 코팅 또는 MWCNT(multiwalled carbon nanotube, 다중벽 탄소 나노튜브) 코팅을 통해 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 방향성 열전달 장치는, 상기 방사 열전달부재(100)와 상기 흡수 열전달부재(200)를 결합시키는 제1 지지부재(300)와; 상기 방사 열전달부재(100)와 상기 흡수 열전달부재(200)와 상기 제1 지지부재(300)를 결합시켜 내부공간(700)을 저온공간(500) 및 고온공간(600)과 분리시키는 제2 지지부재(400);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 지지부재(300, 400)는, 연질우레탄폼 또는 경질우레탄폼인 것을 특징으로 한다.
상기 방향성 열전달 장치는, 내부가 진공으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 방향성 열전달 장치는 열전달부재의 마주보는 표면을 저방사율과 고방사율의 곡면으로 구성하여 열전달 장치가 방향성을 갖도록 하여 단열성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 방향성 열전달 장치의 정면도이다.
도 2는 도 1의 일부 확대도이다.
도 3은 도 1의 측면도와 평면도이다.
도 4는 도 1의 분해사시도로서, (a)는 좌측 분해사시도이고, (b)는 우측 분해사시도이다.
도 5는 도 1에서 열의 방사와 흡수 경로를 보인 도면이다.
도 6은 본 발명의 단열 성능을 시뮬레이션한 결과를 보인 도면이다.
도 7은 방사율과 흡수율의 계산값을 보인 것으로, (a)는 키르히호프 법칙에 따른 방사율과 흡수율의 계산값을 보인 것이고, (b)는 본 발명에 의한 흡수 열전달부재와 흡수 열전달부재의 방사율과 흡수율의 계산값을 보인 도면이다.
도 8은 단열성능을 비교한 것으로, (a)는 본 발명에 의한 단열성능을 보인 것이고, (b)는 종래 진공단열재에 의한 단열성능을 보인 것이다.
도 9는 본 발명과 종래 단열재의 단열성능을 도식화한 도면이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 방향성 열전달 장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
먼저 본 발명은 열전달부재의 마주보는 표면을 저방사율과 고방사율의 곡면으로 구성하여 열전달 장치가 방향성을 갖도록 하여 단열성능을 향상시키고자 한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 방향성 열전달 장치의 정면도이고, 도 2는 도 1의 일부 확대도이며, 도 3은 도 1의 측면도와 평면도이고, 도 4는 도 1의 분해사시도이다.
방사 열전달부재(100)는 곡면의 저방사율 방사표면(120)과 평면의 고방사율 방사표면(130)을 구비하여 저온공간(500)에서의 열을 흡수 열전달부재(200)로 방사한다. 여기서 곡면에는 포물면이 포함된다.
이를 위해 방사 열전달부재(100)는 방사 모재(110), 저방사율 방사표면(120), 고방사율 방사표면(130)을 포함하여 이루어진다.
방사 모재(110)는 흡수된 적외선이 열에너지로 변환된 후 확산이 용이하도록 열전도도가 높은 알루미늄을 사용한다.
저방사율 방사표면(120)은 방사 열전달부재(100)에 중심 부분에 형성되어 포물면으로 이루어진다. 저방사율 방사표면(120)은 방사 모재(110)인 알루미늄 시트의 전해연마하여 표면조도를 높이고, 이후 고순도 알루미늄을 증착하면 적외선 반사율을 95% 이상 구현 가능하다.
고방사율 방사표면(130)은 방사 열전달부재(100)의 중심 이외의 부분에 형성되어 평면으로 이루어진다. 고방사율 방사표면(130)은 비금속 코팅을 하면 고방사율 표면 구현이 가능하다. 또한 MWCNT(multiwalled carbon nanotube, 다중벽 탄소 나노튜브) 코팅을 통해 1에 가까운 방사율을 구현할 수 있다. 이때 비금속 코팅의 두께는 5um 이상으로 형성하는 것이 좋다.
또한 흡수 열전달부재(200)는 고방사율 방사표면(130)에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 저방사율 흡수표면(220)과 저방사율 방사표면(120)에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 고방사율 흡수표면(230)을 구비하여 방사 열전달부재(100)에서 방사되는 열을 흡수하여 고온공간(600)으로 전달한다.
흡수 모재(210)는 흡수된 적외선이 열에너지로 변환된 후 확산이 용이하도록 열전도도가 높은 알루미늄을 사용한다.
저방사율 흡수표면(220)은 흡수 열전달부재(200)에 중심 이외의 부분에 형성되어 포물면으로 이루어진다. 저방사율 흡수표면(220)은 방사 모재(210)인 알루미늄 시트의 전해연마하여 표면조도를 높이고, 이후 고순도 알루미늄을 증착하면 적외선 반사율을 95% 이상 구현 가능하다.
고방사율 방사표면(230)은 방사 열전달부재(200)의 중심 부분에 형성되어 평면으로 이루어진다. 고방사율 흡수표면(230)은 비금속 코팅을 하면 고방사율 표면 구현이 가능하다. 또한 MWCNT(multiwalled carbon nanotube, 다중벽 탄소 나노튜브) 코팅을 통해 1에 가까운 방사율을 구현할 수 있다. 이때 비금속 코팅의 두께는 5um 이상으로 형성하는 것이 좋다.
제1 지지부재는 방사 열전달부재(100)와 흡수 열전달부재를 결합시킨다.
제2 지지부재(400)는 방사 열전달부재(100)와 흡수 열전달부재(200)와 상기 제1 지지부재(300)를 결합시켜 내부공간(700)을 저온공간(500) 및 고온공간(600)과 분리시킨다.
제1 지지부재(300)와 제2 지지부재(400)는 발포우레탄인 연질우레탄폼 또는 경질우레탄폼으로 형성할 수 있다.
그래서 방사 열전달부재(100)의 저방사율 방사표면(120)과 흡수 열전달부재(200)의 저방사율 방사표면(220) 및 고방사율 방사표면(230)을 서로 초점이 일치하는 두 개의 포물면으로 형성한다. 방사 열전달부재(100)는 중앙에 포물면을 형성하고 저방사율 표면처리를 하고, 나머지 평면 영역은 고방사율 표면처리를 한다. 흡수 열전달부재(200)는 전체에 포물면을 형성하고 중앙에 고방사율 표면처리를 하고 나머지 영역에 저방사율 표면처리를 한다. 방사 열전달부재(100)와 흡수 열전달부재(200)의 두 표면은 제1 지지부재(300)를 이용해 서로 조립되고, 제2 지지부재(400)를 이용하여 내부공간(700)을 저온공간(500) 및 고온공간(600)과 분리시켜 형성한다.
제1 지지부재(300)와 제2 지지부재(400)는 복사로 일방향으로 전달된 열에너지가 역류하는 것을 방지하기 위해 열전도도가 낮은 발포우레탄 등을 사용할 수 있다.
또한 내부 공간의 공기를 통한 전도와 대류열전달 최소화 하기 위해 공기의 압력이 대기압보다 낮도록 진공상태로 만든다.
도 5는 도 1에서 열의 방사와 흡수 경로를 보인 도면이다.
도 5에서 빨간 실선(도 5에서 ①)을 보면, 방사 열전달부재(100)의 평면영역인 고방사율 방사표면(130)에서 방사되는 적외선은 큰 포물면을 갖는 흡수 열전달부재(200)의 저방사율 흡수표면(120)에서 반사되어 방사 열전달부재(100)의 저방사율 방사표면(220)으로 전달된다. 그리고 작은 포물면을 갖는 저방사율 방사표면(220)에서 반사되어 흡수 열전달부재(200)의 고방사율 흡수표면(230)으로 흡수된다.
도 5에서 파란 실선(도 5에서 ②)을 보면, 큰 포물면을 갖는 흡수 열전달부재(200)의 고방사율 흡수표면(230)에서 방사되는 적외선은 방사 열전달부재(100)의 작은 포물면을 갖는 저방사율 방사표면(220)으로 전달된다. 그리고 일정 부분을 제외하고 작은 포물면인 저방사율 방사표면(220)에서 반사되어 흡수 열전달부재(200)의 고방사율 흡수표면(230)으로 재흡수 된다.
또한 도 5의 파란 점선(도 5에서 ③)은 흡수 열전달부재(200)의 일부 적외선이 방사 열전달부재(100)로 다시 전달되는 것을 보인 것이다.
따라서 서로 마주보는 내부 표면의 순 복사열전달은 방사 열전달부재(100)에서 흡수 열전달부재(200)로 이동하게 되어 방향성 열전달이 가능하게 된다.
도 6은 본 발명의 단열 성능을 시뮬레이션한 결과를 보인 도면이다.
그래서 방사 열전달부재(100)에서 흡수 열전달부재(200)로 방향성 열전달이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 방사율과 흡수율의 계산값을 보인 것으로, (a)는 키르히호프 법칙에 따른 방사율과 흡수율의 계산값을 보인 것이고, (b)는 본 발명에 의한 흡수 열전달부재와 흡수 열전달부재의 방사율과 흡수율의 계산값을 보인 도면이다.
도 7의 (a)에서 슈테판 볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann 법칙)은 다음의 수학식 1로 구성된다.
Figure 112021046487118-pat00001
여기서 각 항목은 다음을 의미한다.
E : 표면방사력, surface emissive power
ε : 방사율, emissivity
σ : Stefan-Boltzmann 상수, 5.67 x 10-8 Wm-2K-4
TS : 표면의 절대온도(K)
따라서 키르히호프 법칙에 따라 방사 부분에서의 표면방사력은 다음과 같이 된다.
방사율 = 흡수율 = 0.01, T = 273K, Area = 1m2
E = 0.01 x 5.67 x 10-8 Wm-2K-4 2734 ≒ 3.15W/m2
또한 흡수 부분에서의 표면방사력은 다음과 같이 된다.
방사율 = 흡수율 = 0.9, T = 273K, Area = 1m2
E = 0.9 x 5.67 x 10-8 Wm-2K-4 2734 ≒ 283W/m2
따라서 멀티레이어 단열재에의 저방사율 표면처리를 통해서 단열성능 구현함에 있어서 열평형상태의 두 표면이 키르호프 법칙에 의해 순(net) 복사열전달량이 "0"이 되어 버린다.
도 7의 (b)에서 본 발명은 다음의 방사율을 갖게 된다.
먼저 방사 열전달부재(100)의 내부표면 방사율은 그 표면의 평균 방사율과 같고, 흡수율은 흡수 열전달부재(200)의 내부표면의 평균 방사율과 같다. 또한 흡수 열전달부재(200)의 내부표면 방사율은 그 표면 방사율과 같고, 흡수율은 방사 열전달부재(100)의 내부표면 평균방사율과 같다.
방사 열전달부재(100)의 방사율은 0.62, 흡수율은 0.35, T = 273K, 면적은 1m2 이다.
방사 열전달부재(100)의 저방사율 방사표면(120)은 방사율이 0.01이 되고, 고방사율 방사표면은(130)은 방사율이 0.9가 된다. 평균 방사율은 0.62가 된다.
또한 흡수 열전달부재(200)의 방사율은 0.35, 흡수율은 0.62, T = 273K, 면적은 1m2 이다.
흡수 열전달부재(100)의 저방사율 방사표면(220)은 방사율이 0.01, 고방사율 흡수표면(230)은 방사율이 0.9이 된다. 평균 방사율은 0.35이다.
따라서 고방사율 방사표면(130)의 표면 방사는 195W/m2가 되고, 고방사율 흡수표면(230)은 이중 121W/m2를 표면흡수한다.
또한 저방사율 흡수표면(220)은 110W/m2를 표면 방사하게 되고, 고방사율 방사표면(130)은 38W/m2를 표면 흡수한다.
따라서 제곱미터당 약 82W/m2(= 121W/m2 - 39W/m2)를 방사 열전달부재(100)에서 흡수 열전달부재(200)로 전달할 수 있게 된다.
도 8은 단열성능을 비교한 것으로, (a)는 본 발명에 의한 단열성능을 보인 것이고, (b)는 종래 진공단열재에 의한 단열성능을 보인 것이다.
도 7의 경우는 온도가 같은 표면에서의 순 복사 열전달량을 계산한 결과이다. 그러나 흡수 열전달부재(200)는 지속적으로 가열되고, 방사 열전달부재(100)는 지속적으로 냉각됨으로써 열적평형 상태는 과도상태로 변화하게 된다. 이때 두 표면간 일정 이상의 온도차가 발생하면, 지지부재(300, 400)와 내부공기의 전도와 내부공기의 대류 통해서 흡수 열전달부재(200)에서 방사 열전달부재(100)로 열전달이 이루어지며, 모든 구성 요소들의 온도가 포화될 때 열전달 다이어그램은 도 8과 같이 된다. 도 8의 (b)는 일반적인 진공단열재의 열전달 그림으로서, 종래의 진공단열재는 순 복사 열전달량이 "0"에 근접하게 된다. 따라서 종래의 진공단열재에서는 대류를 억제하고 구성요소의 열전도도를 낮추어 단열성능을 구현하게 된다. 하지만 본 발명을 적용한다면, 대류 억제나 구성요소의 열전도도를 낮추지 않고도 단열성능의 개선이 가능하게 된다.
도 9는 본 발명과 종래 단열재의 단열성능을 도식화한 도면이다.
따라서 본 발명은 종래의 일반단열재 또는 진공단열재보다 더 뛰어난 단열성능을 보여주게 된다.
한편 방사 열전달부재(100)는 두께 0.1mm 고광택 알루미늄시트에 초점거리 0.2mm의 포물면을 형성하고, 포물면 이외의 모든 영역에 도료를 코팅하여 완성한다. 흡수 열전달부재(200)는 두께 0.1mm 고광택 알루미늄시트에 초점거리 1.8mm의 포물면을 형성하고, 포물면 중앙에 도료를 코팅하여 완성한다. 두 부재를 초점이 일치하도록 배치하고, 흡수 열전달부재(200)의 평면영역에 지지부재를 도포하고 방사 열전달부재(100)와 접합한다.
5mm x 5mm 단위모듈에 있어서 저온공간을 밀폐하여 진공으로 설정하고, 지지부재를 길이 1.32mm 단면적 0.3mm x 0.3mm의 발포테프론으로(열전도도 0.07W/mK) 설정하면, 방사 열전달부재(100)와 흡수 열전달부재(200)의 온도차의 5% 정도의 열량(온도차가 1℃일 경우 0.05W) 열전달이 이루어진다.
반면 표면에서 방사되는 에너지는 q = εσT4 = 0.95 x 5.67 x 10-8 x (25 + 273)4 = 424W/m2 이므로, 5mm x 5mm 단위 모듈에서 방사 열전달부재(100)에서 흡수 열전달부재(200)로 1.06W/25mm2 의 에너지가 복사로 이동되며, 단위 모듈당 약 1W의 히트펌핑이 가능하다.
본 발명에 의한 장치를 냉난방이 필요한 건물/수송수장치와 냉온장 장치에 사용하여 에너지효율을 향상시킬 수 있다. 예를들면, 830L 전기냉장고의 크기가 약 0.9m x 0.9m x 1.8m이며, 냉장고의 좌우후면에 본 단열재를 적용한다면, 2.7 x 1.8 = 4.86m2의 면적에 적용할 수 있다. 또한 4.86m2 x 424W/m2 = 2kW의 에너지를 펌핑하는 것이 가능하여, 전기일 없이 냉장고의 사용이 가능하다.
참고로 380L 1등급 전기냉장고의 연간소비전력량이 370kWh이므로, 370/(365일/년 x 24시간) = 0.04kW의 평균에너지를 소비한다.
이처럼 본 발명은 열전달부재의 마주보는 표면을 저방사율과 고방사율의 곡면으로 구성하여 열전달 장치가 방향성을 갖도록 하여 단열성능을 향상시키게 된다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 방사 열전달부재
110 : 방사 모재
120 : 저방사율 방사표면
130 : 고방사율 방사표면
200 : 흡수 열전달부재
210 : 흡수 모재
220 : 저방사율 흡수표면
230 : 고방사율 흡수표면
300 : 제1 지지부재
400 : 제2 지지부재
500 : 저온공간
600 : 고온공간
700 : 내부공간

Claims (7)

  1. 알루미늄 소재의 방사 모재를 구비하고, 곡면의 저방사율 방사표면과 평면의 고방사율 방사표면을 구비하여 저온공간에서의 열을 흡수 열전달부재로 방사하는 방사 열전달부재와;
    알루미늄 소재의 흡수 모재를 구비하고, 상기 고방사율 방사표면에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 저방사율 흡수표면과 상기 저방사율 방사표면에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 고방사율 흡수표면을 구비하여 상기 방사 열전달부재에서 방사되는 열을 흡수하여 고온공간으로 전달하는 흡수 열전달부재;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사 열전달부재의 상기 저방사율 방사표면과 상기 흡수 열전달부재의 저방사율 흡수표면은, 각각 알루미늄 시트의 전해연마와 고순도 알루미늄의 증착으로 형성된 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사 열전달부재의 상기 고방사율 방사표면과 상기 흡수 열전달부재의 고방사율 흡수표면은, 각각 비금속 코팅 또는 MWCNT 코팅을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방향성 열전달 장치는, 상기 방사 열전달부재와 상기 흡수 열전달부재를 결합시키는 제1 지지부재와; 상기 방사 열전달부재(100)와 상기 흡수 열전달부재(200)와 상기 제1 지지부재(300)를 결합시켜 내부공간(700)을 저온공간(500) 및 고온공간(600)과 분리시키는 제2 지지부재(400);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 지지부재 및 상기 제2 지지부재는, 연질우레탄폼 또는 경질우레탄폼인 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 방향성 열전달 장치는, 내부가 진공으로 형성된 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.
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