KR20000074857A

KR20000074857A - 형상기억합금을 이용한 가변형 자동 디퓨져

Info

Publication number: KR20000074857A
Application number: KR1019990019083A
Authority: KR
Inventors: 박장용
Original assignee: 박장용
Priority date: 1999-05-26
Filing date: 1999-05-26
Publication date: 2000-12-15
Also published as: KR100338188B1

Abstract

본 발명은 건물내의 냉난방설비 가운데 공조(Air Conditioning) 설비계통에서 냉풍 및 온풍의 공급과정에서 공기의 분출기구로 사용되고있는 디퓨져(Diffuser)로서 기존의 디퓨져로는 공기의 취출각도를 결정해주는 디퓨져날개(Diffuser Vane)가 고정되어있어, 계절에따라 온도차이를 두고 공급되는 냉풍 및 온풍이 일정한 각도로만 분출이 되기 때문에 효율적인 공조기능 수행이 어렵다. 이러한 기존의 디퓨져가 안고있는 취약성을 형상기억합금 소재를 이용하여 급기온도에 따라 공기의 분출각도를 자동으로 조절해줌으로써 적절한 기류의 분포 및 도달거리를 형성할수 있다. 코일스프링형태로 이용한 형상기억합금은 외부의 어떠한 동력 또는 전원의 공급없이 자체적으로 온도센서 및 구동체의 역할을 동시에 수행할 수 있기 때문에 기존설치되어있는 디퓨져만을 교체하여 사용할 수도 있다. 또한 공기분출시 독특한 디퓨져날개구조에 의하여 회오리(Swirl) 형태로 기류를 형성할 수 있어 실내공기와의 효율적인 혼합효과를 기할 수 있다. 따라서 기존에 사용하고있는 디퓨져를 대체 사용할 수 있어 보다 효과적인 공조환경을 이룰 수 있을 뿐만 아니라 이에 따른 에너지절감효과를 기할 수 있다.

Description

형상기억합금을 이용한 가변형 자동 디퓨져 {Variable Self-Actuating Diffuser with Shape Memory Alloy}

건축 기계설비분야에 있어서 대부분의 건물(일반 건물, 공장 등)에서의 냉난방은 공조기로부터 공급되는 냉풍 또는 온풍을 이용한 냉난방공조방식(Air Conditioning)이 이용되고 있으며 그에 따라 다양한 공조시스템의 발달로 이를 구성하는 각종 관련 장비 및 기구의 발전을 가져온 것이 사실이다. 그러나 현재 사용하고 있는 여러 관련 기구들 가운데 공기의 취출구 역할을 하고 있는 디퓨져는 다른 기구의 발전에 비하여 기능과 효율적인 면에서 거의 발전을 이루고 있지 못한 것이 현실이다. 공기조화기(공조기,Air Handling Unit)로 부터 공급된 온풍 및 냉풍은 보통 천정에 설치되어있는 디퓨져를 통해 실내공기온도를 적정하게 해주는 역할을 하고 있는데 , 기존의 디퓨져는 디퓨져날개(Diffuser Vane)의 취출각도가 45°정도로 고정되어 있어 하절기(급기온도 17℃ 내외) 및 동절기(급기온도 25℃ 내외)에 따른 급기온도의 변화에 관계없이 취출구로부터 일정한 각도로만 공기가 분출되도록 되어 있다. 이는 차가운 공기(냉풍)는 하강하는 경향이 있어 냉풍이 취출되는 각도의 상부 공간에는 냉풍의 기류가 형성되지 못하며, 또한 따뜻한 공기(온풍)는 부력에 의하여 상승하는 경향이 있기 때문에 실내에서의 사람의 활동대역(바닥면으로부터 1.5m)에까지 효과적인 기류의 분포를 형성하지 못하는 단점이 있다. 특히 층고가 높은 실내공간에서의 난방은 온풍기류가 사람의 활동대역에 까지 형성되지 못해 경우에 따라서는 별도의 난방설비를 갖추거나, 공기가 바닥 면에 수직으로 분출되도록 하기 위해 별도의 노즐형 디퓨져를 설치하기도 하는데 이런 경우 별도의 설비시공을 필요로 하기 때문에 적지 않은 비용낭비 및 에너지의 과다사용을 초래하기도 한다. 본 발명에 이용되는 형상기억합금의 가장 큰 특징은 어떠한 외부의 동력 공급 없이 온도센서기능과 그에 따른 구동력을 동시에 발휘한다는 데에 있으며, 합금소재의 특성상 내식성이 뛰어나 습도가 높은 악조건 하에서도 그대로 노출시킨채 본래의 기능을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라, 형상 회복에 따른 반복피로 수명도 1,000,000회∼10,000,000회 정도에 이를 정도로 거의 반영구적인 사용이 가능하다. 또한 반복피로 운동에 따른 온도 감지의 오차 범위도 1℃정도에 불과하여 본 발명의 실용화에 적합하다고 할 수 있다. 본 발명에 이용되는 형상기억합금의 형태는 최대의 토크(구동력,Torque)와 스트로크(구동거리,Stroke)를 얻을 수 있도록 코일 스프링 형태의 합금소재를 이용하였다.

본발명은 기존의 디퓨져와는 달리 형상기억합금소재를 이용하여 실내에서 냉난방 수행시 공조기로부터의 급기온도(통상15℃∼30℃)에 따라 디퓨져날개(20)의 취출각도를 자동으로 변환시켜주어 디퓨져에서 분출되는 공기의 기류분포 및 도달거리를 조절하고 동시에 회오리형태의 기류를 형성토록함으로써 보다 효율적이고 쾌적한 공조기능을 수행하도록 하는데에 있다.

도1은 전체를 조립한 사시도.

도2는 냉방운전(급기온도 17℃ 내외)시 디퓨져 날개(20)가 수평형태를 이루고있는 배면도.

도3은 냉방운전시와 난방운전시의 중간급기온도(20℃ 내외)때의 디퓨져날개(20)가 경사진형태를 이루고 있는 배면도.

도4는 난방운전(급기온도 25℃ 내외)시 디퓨져날개가 수직형태를 이루고 있는 배면도.

도5는 도2에 대한 기류분출 형태를 간단히 표시한 종단면도.

도6은 도3에 대한 기류분출 형태를 간단히 표시한 종단면도.

도7은 도4에 대한 기류분출 형태를 간단히 표시한 종단면도.

도8은 냉방운전시 디퓨져날개(20)가 이루고있는 형태를 나타낸 일부예시도.

도9는 난방운전시 디퓨져날개(20)가 이루고있는 형태를 나타낸 일부예시도.

도10은 냉방운전시 상부실린더(11) 및 디퓨져날개(20)의 형태를 표시한 종단면도.

도11은 난방운전시 상부실린더(11) 및 디퓨져날개(20)의 형태를 표시한 종단면도.

도12는 실린더(10)에 디퓨져날개(20)의 고정축(21)과 이동축(22)이 조립되어 있는 횡단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10:실린더 11:상부실린더

12:하부실린더 13:실린더 오목부

14:고정축 구멍 15:이동축구멍

20:디퓨져 날개(Diffuser Vane) 21:고정축

22:이동축 30:형상기억합금 코일

31:바이어스 스프링 40:상부지지대

41:코일고정판 42:하부지지대

50:디퓨져 하우징(Diffuser Housing) 51:분출구

52:디퓨져 넥(Diffuser Neck) 50:연결덕트

본 발명은 냉난방시 실내에 공급되는 공기온도(통상 15℃∼30℃)에 따라 자체적으로 형상이 변형되는 형상기억합금의 구동력을 이용하여 디퓨져 날개(20)의 각도를 변화시켜 줌으로써 디퓨져로 부터 취출되는 기류의 분포 및 도달거리가 실내에서 사람의 활동대역(바닥면으로 부터 1.5m 정도)에 까지 충분히 형성되도록 하며 동시에 공기가 분출될 때 기존 디퓨져의 경우처럼 직진형태가 아닌 회오리 형태(Swirl)로 분출되도록 함으로써 공조기능이 보다 효율적으로 수행되도록 고안 한 것으로 이를 도면에 의하여 상세히 설명을 하면 다음과 같다.

공조기로부터 공급된 공기는 디퓨져 넥(52)에 연결되는 연결 덕트(60)를 통해 도1, 도5, 도6 및 도7에 예시된 바와 같이 디퓨져로 공급된다. 디퓨져 하우징(50)의 분출구(51) 윗쪽에 하부실린더(12)와 십(+)자 형태로 연결 고착된 하부지지 대(42)는 디퓨져 하우징에 고착되어있고, 고정되어 있는 하부실린더(12)를 뚜껑형태로 덮고있는 상부실린더(11)는 상부실린더(11)윗면에 접촉하고 있는 형상기억합금 코일(30)의 구동력에 따라 상하로 자유롭게 움직일 수 있도록 되어있으며, 상부실린더(11)는 하부실린더(12)와 함께 실린더(10)를 이룬다. 실린더(10)내부에는 일반금속 소재로 된 스프링인 바이어스 스프링(31)이 형상기억합금코일(30)의 구동에 따라 상부실린더(11)와 함께 수축, 이완 운동을 할 수 있도록 내장되어 있다. 또한, 형상기억합금코일(30)의 한쪽은 코일 고정판(41)에 고착되어 있으며, 이 코일 고정판(41)은 디퓨져하우징(50) 안쪽에 십(+)자 형태로 고착되어 있는 상부지지대(40)에 연결 고착 되어있다. 본 발명에 사용된 형상기억합금코일(30)은 가공시 임의로 기억된 형상회복 온도에 이르면 형상이 회복되는 일방향성(One-Through Way)합금소재로서 본 발명에 적용할 수 있도록 급기온도가 25℃에 이르면 형상회복력과 함께 스프링 처럼 이완력이 발생된다. 반면에, 급기온도가 25℃ 이하에서는 형상기억합금코일(30)의 이완력이 상실되어 부드러워질 뿐 아니라 자체적으로 수축력이 없기 때문에 도10 및 도11에 예시한 바와 같이 바이어스 스프링(31)과 서로 맞댄 방향으로 구성하여 바이어스 스프링(31)이 지니고 있는 이완력에 따라 형상기억합금 코일(30)이 수축되도록 구성하되 급기 온도에 따른 형상기억합금 코일(30)의 스트로크(구동거리)에 의하여 디퓨져 날개(20)각도가 냉난방시에 필요한 형태를 유지할 수 있도록 적절히 구성 조립한다. 한편, 형상기억합금소재를 이용하여 실생활에 사용되고있는 예로는 여성들이 사용하고 있는 브래지어의 컵 하단부분에 가느다란 선 형태로 취부되어 평상시에는 부드러운 형태를 유지하고 있다가 착용 후 사람의 체온을 받게되면 양측 부분이 위로 구부러져 여성들의 가슴을 받쳐 올려주는 역할을 하는데 사용되고 있다.

도10은 냉방운전시 코일고정판(41)의 한쪽이 고정되어 급기에 노출되어 있는 형상기억합금코일(30)이 17℃정도의 급기온도에 의하여 이완력을 상실한 채 실린더(10)내부에 있는 바이어스 스프링(31)의 이완력이 상부 실린더(11)를 화살표(a)방향으로 밀어 이동시킴으로써 형상기억합금코일(30)을 최대한 수축시키는 형태를 이루게 된다. 이 때에는 고정축(21)을 중심으로 이동축(22)이 그리는 원주를 따라 상부실린더(11)의 이동축구멍(15)에 삽입되어있는 이동축(22)을 바이어스 스프링(31)이 이완되는 방향으로 이동시킴으로써 디퓨져날개(20)는 수평으로부터 약 30°정도 기울게되는데 이렇게 함으로써 도2 및 도5에 예시한 바와같이 8개의 디퓨져날개(20)형태가 디퓨져에 공급되는 차가운 공기를 회오리 형태 및 수평방향의 기류를 형성케하는 역할을 한다.

도8은 냉방운전시 이완력이 상실되어 부드러워진 형상기억합금 코일(30)이 바이어스 스프링(31)의 이완력에 의하여 수축되어있는 상태에서 상부실린더(11)의 형태 및 디퓨져날개(20)의 상태를 표시한 것이다.

도11은 난방운전시 형상기억합금 코일(30)은 25℃정도의 급기온도에 의하여 형상회복력이 발생되는데 형상기억합금 코일(30)이 고정되어있는 코일고정판(41)의 반대쪽으로 이완력이 작용하여 바이어스 스프링(31)을 덮고있는 상부실린더(11)가 화살표 방향으로 이동하게된다. 따라서 바이어스 스프링(31)이 형상기억합금 코일(30)의 이완력에 의하여 수축된다. 이 때에 상부실린더(11)가 화살표방향(b)으로 이동할 때 상부실린더(11)가 하부실린더(12)에 삽입되어있는 고정축(21)에 간섭을 받지 않도록 하기 위하여 상부실린더(11)의 하단을 개방한 상태로 고정축 구멍(14)의 직경넓이로하여 고정축구멍(14) 상단까지 절개한 실린더오목부(13)를 형성토록 한다. 하부 실린더(12)의 고정축구멍(14)에 삽입되어있는 상태에서 디퓨져날개(20)와 연결되어 제자리에서 회전하는 고정축(21)을 중심으로 해서 상부실린더(11)의 이동에 따라 이동축구멍(15)에 삽입되어 있는 이동축(22)이 바이어스 스프링(31)이 수축되는 방향으로 이동하게 됨으로써 디퓨져날개(20)는 디퓨져내의 급기방향과 같은 수직형태를 이루게되어 디퓨져로부터 급기 되는 기류의 형태를 수직방향으로 분출토록 유도하여 온풍의 부력에 의한 상승작용에 따라 초래되는 비효율적인 난방을 방지하고 동시에 사람의 활동대역(바닥면으로 부터 1.5m)에 까지 온풍기류를 충분히 도달케 한다.

도12는 디퓨져날개(20)와 한몸체를 이루는 고정축(21)과 이동축(22)이 실린더(10)에 삽입되어있는 구조로 조립되며, 고정축(21)은 하부실린더(12)안쪽에서 스냅링을 체결하여 디퓨져날개(20)가 실린더(10)로부터 이탈되지 않도록한다.

디퓨져 날개가 고정되어있는 기존의 디퓨져로 설치되어있는 기존건물 및 신축건물에 본 발명에의한 자동디퓨져가 적용될 경우, 현재의 냉난방 부하량에 소요되는 에너지로써 보다 효율적이고 쾌적한 공조기능수행이 가능하며, 반면에 기존의 고정식 디퓨져날개를 가진 디퓨져 적용시 부족한 공조기능을 보완하기 위하여 냉난방 열량부하를 과다 설계 적용하는 문제점을 해소시킬 수 있고, 특히 건물의 1층 또는 로비공간과 같은 층고가 높은 실내에서의 난방을 위해 별도의 바닥난방설비를 해야하는 낭비요소를 제거함으로써 시공에따른 비용절감 및 에너지사용의 절감효과를 기대할 수 있다.

Claims

공기의 취출시 이용되는 디퓨져에 있어서 소성 가공된 온도에 따라 형상회복하는 성질을지닌 형상기억합금의 수축 및 이완력을 이용한 온도감지형 구동장치로서 이를 이용한 천정 및 벽면 설치형 디퓨져

본 발명의 구동장치를 이용한 디퓨져의 모양은 사각형, 원형 및 라인형(Linear Type)으로서 현재 사용되고있는 모든 디퓨져에 적용할 수 있다.
제1항에 있어서, 디퓨져날개의 형상에 따라 분출되는 기류의 형태를 회오리(Swirl)형태로 형성시켜 실내공기와의 혼합효과를 높이기 위한 방사형 디퓨져날개(20)형태.
제1항과 제2항에 있어서, 형상기억합금 코일(30)의 구동력으로 디퓨져날개(20)의 각도를 조절해 주도록 하는 실린더구조.