KR20010025152A

KR20010025152A - 열 교환장치

Info

Publication number: KR20010025152A
Application number: KR1020000023699A
Authority: KR
Inventors: 권승안
Original assignee: 권승안; 주식회사 한국포조텍
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2001-04-06
Also published as: KR100364048B1

Abstract

본 발명은 관로를 가열하여 열전달을 수행하는 열전달 장치에 있어서, 히트 파이프에 위크를 설치한후 작동유체를 충진하여 히트 파이프가 가열되면 가열부의 위크에 침적되는 작동유체가 기화되어 전체로 이동되면서 증발잠열에 의해 히트 파이프에 열전달을 수행하고, 열전달이 완료되면 기화되는 작동유체가 응축됨과 동시에 모세관 현상을 통하여 위크에 다시금 흡입되어 열원에 의해 기화되며, 상기의 동작을 반복수행함으로써 히트 파이프에 열을 전달토록 하는 열교환 장치에 관한 것이다.

Description

열 교환장치{A HEAT EXCHANGER}

본 발명은 온수등의 유동에 의한 발열용 배관을 이용하는 난방장치에 있어서, 히트 파이프의 내측에 부분 설치되는 위크와 이에 침적토록 충진되는 작동유체를 이용한 히트 파이프의 신속한 열전도 특성을 통하여 뛰어난 열효율 및 균일한 온도분포와 규모나 형태의 무제한성을 온돌 난방등에 용이하게 이용할수 있도록 하는 열 교환장치에 관한 것이다.

일반적으로 알려져 있는 난방장치에 있어서는, 일정공간에 밀집도를 향상시키도록 동이나 플라스틱 재질로 이루어 지는 난방용 파이프를 ㄹ자형상으로 절곡하여 설치하고, 상기 난방용 파이프의 내측으로 보일러등을 통하여 공급되는 고온,고압 상태의 난방수가 흐르게 하여 고온상태의 난방수가 그 온도를 외부(온돌)에 방출하며, 상기 난방파이프를 통과하면서 열 방출을 수행한 난방수는 다시금 보일러에 순환되어 고온고압상태로 되고, 상기 동작을 되풀이 하여 난방을 수행토록 되는 것이다.

그러나, 상기와 같은 난방장치는, 일정 지역에 밀집도를 향상토록 설치되는 난방파이프의 유체이동 통로가 길게 되어 통로의 후반부에서는 온도가 저하되어 전체적으로 균일한 난방을 수행할수 없게 되고, 난방 파이프의 소요량이 증가하여 과대한 비용 발생이 이루어 진다.

또한, 다수의 굴곡부 등으로 이루어 지는 배관의 구조가 복잡하여 파손의 염려가 있고, 물에 의한 열전달을 수행하여 부식발생 및 이에따른 누수의 염려와 동파의 위험이 따름은 물론 수압에 의한 파손이 빈번하게 발생되며, 물에 의해 다수의 스케일이 발생되어 난방 파이프의 열전도성을 현저하게 저하시키게 되는 단점이 있다

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래의 난방장치는 도1에 도시한 바와같이, 열원(10)에 일단이 접촉토록 설치되는 히트 파이프(20)의 내경측에 작동유체(30)를 충진하고, 상기 작동유체(30)가 침적되는 금속망사(40)가 히트 파이프(20)의 전체에 설치되는 구성으로 이루어져 작동유체(30)가 침적되는 금속망사(40)가 히트 파이프(20)에 열원(10)에 접촉될 때 그 열원에 의해 연속적으로 기화하여 히트파이프(20) 전체에 열전달을 수행하고, 기화되는 작동유체는 열전달을 수행한후 응축되어 금속망사(40)에 다시금 침적토록 되며, 상기와 동작을 반복하여 열전달을 수행하게 되는 것이다.

그러나, 상기와 같은 난방장치는, 히트 파이프(20)의 내측에 금속망사(40)가 전체적으로 설치되어 금속망사(40)가 증가함은 물론 이에따른 생산비가 증가하고, 상기 히트 파이프(20)의 길이가 긴 경우 금속망사(40)가 히트 파이프(20)의 전체 내벽에 밀착하도록 하는 설치공정상의 어려움이 발생하는 단점이 있다.

또한, 히트 파이프(20)의 전체 내벽에 설치되는 금속망사(40)에 의해 증발된 기체의 이동에 따른 저항이 발생하여 열전달 효율을 현저히 저하시키고 되고, 작동유체(30)가 금속망사(30)에 항상 침적되는 상태가 되어 금속망사(30)의 모든 부분에서 작동유체(30)의 응축에 따른 침적과 증발동작이 동시에 수행되어 증발 효율을 저하시키게 되는 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 여러 문제점들을 개선시키기 위한 것으로서 그 목적은, 난방배관의 부식과 파손 및 이에 따른 누수를 완벽하게 방지하고, 난방배관내의 스케일 발생이 방지되어 이에 따른 효율저하나 파손이 방지되며, 난방배관이 배설되는 방바닥 전체의 온도를 균일하게 유지하고, 난방배관내 고온의 유체가 흐르지 않아 최소의 유량으로 보일러의 용량을 증가 시킬수 있고, 히트 파이프의 가열이 신속하게 이루어짐은 물론 난방효율을 상승토록 하는 열 교환장치를 제공하는데 있다.

도1은 종래의 열교환용 히트 파이프를 도시한 개략도

도2A,B는 본 발명에 따른 열교환용 히트 파이프를 도시한 단면 개략도

도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환용 히트 파이프를 도시한 개략도

도4 A,B,C는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 히트 파이프의 단면 상태도

도5 A,B는 본 발명의 따른 히트 파이프의 장착 상태를 도시한 개략도

도6은 본 발명에 따른 히트 파이프의 시간에 따른 온도상태를 종래와 비교하여 도시한 그래프

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

210...작동유체 310A...미세홈

310B...위크 320...기화수단

400...연결심지

상기 목적들을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 진공상태인 밀폐공간을 갖도록 형성되는 히트 파이프와,

상기 히트 파이프의 내측에서 기화에 의한 열전달이 가능토록 일정액 충진되는 작동유체및,

상기 히트 파이프의 내측에 설치되는 기화수단을 포함하는 구성으로 이루어진 열 교환장치를 마련함에 의한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도2는 본 발명에 따른 열교환용 히트 파이프를 도시한 단면 개략도이고, 도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환용 히트 파이프를 도시한 개략도이며, 도4 A,B,C는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 히트 파이프의 단면 상태도이고, 도5 A,B는 본 발명의 따른 히트 파이프의 장착 상태를 도시한 개략도이며, 도6은 본 발명에 따른 히트 파이프의 시간에 따른 온도상태를 종래와 비교하여 도시한 그래프로서 본 발명은, 히트 파이프(100)와 작동유체(210) 및 기화수단(320)으로서 이루어 진다.

상기 히트 파이프(100)는, 내경측에 일정공간을 형성하여 그 양측을 밀폐토록 하여 진공상태의 밀폐공간(미도시)이 일체로 형성되며, 상기 히트 파이프(100)는, 구리재질이나 스테인레스 재질의 금속 파이프로 이루어져 일자형 또는 U자 형상과 여러 가지 변형형상으로 구성이 가능하여 형상의 제한이 없다.

상기 히트 파이프(100)의 내측에 설치되는 작동유체(210)는, 기화에 증발잠열(Latent Heat)을 통하여 열전달이 가능토록 강 기화(强氣化)성재인 알콜이나 아세톤등으로서 이루어 지는 작동유체(210)가 히트 파이프(100)의 내측에 5~30% 삽입된다.

상기 작동유체(210)를 기화 시키는 기화수단(320)는, 히트 파이프(100)의 내측으로 열원의 접촉부 일측에 위치토록 설치되며, 내경측에 일체로 형성되는 미세홈(310A)이나 내경측에 삽입되는 위크(310B)로서 이루어 지고, 상기 미세홈(310A)이나 위크(310B)는 각각 별도로 설치되거나 일체로 설치된다.

또한, 상기 위크(310B)나 미세홈(310A)는, 히트 파이프(100)의 전체 길이에 대하여 1~30%의 길이를 갖도록 형성되고, 상기 위크(310B)는, 히트 파이프(100)의 재질에 따라 동일 재질(열전도성이 높은 구리재질의 경우 구리나 청동재의 재질이 사용되며, 스테인레스 재질의 경우 스테인레스재질)로서 이루어 진다.

이때, 도2B에서와 같이, 히트 파이프(100)에 부분적으로 설치되는 위크(310B)에 연결심지(400)를 일체로 연결하여 히트 파이프(100)의 하단에 고정시키면 가열부분이 응축 부위보다 약간 높을 경우에도 액체의 상태로 응축된 작동유체(210)가 연결심지(400)에 흡입되면서 위크(310B)쪽으로 지속적으로 운반되므로 지속적인 기화와 응축이 연속적으로 반복 수행토록 된다.

그리고, U자 형상의 히트 파이프(100)에 부분적인 위크(310B)를 설치할 경우 열원의 접촉부에 위치토록 양단부에 각각 설치되어 연결심지(400)로서 일체로 연결되는 구성으로 이루어 진다.

이와같은 구성으로 이루어진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도2 내지 도6에 도시한 바와같이, 상기 히트 파이프(100)는, 내경측에 일정공간을 형성하여 그 양측을 밀폐토록 함으로써 진공상태의 밀폐공간(110)이 일체로 형성되며, 이때 히트 파이프(100)는, 열 전도성이 우수한 구리나 스테인레스 재질의 금속 파이프로 이루어진다.

또한, 상기 히트 파이프(100)는, 전기적 발열에 의하거나 고온의 유체가 흐르는 열원에 접촉토록 설치되어 열전달을 수행토록 하고, 상기 히트 파이프(100)는 일자형으로 형성되어 열원에 각각 접촉되거나 U자 형상으로 형성되는 히트 파이프(100)의 단부가 열원 주위에 접촉토록 연결되며, 상기 히트파이프(100)의 형상은 설치장소에 따라 사용자가 임의로 변형하여 설치할수 있다.

그리고, 상기 히트 파이프(100)의 내측에는 기화에 증발잠열(Latent Heat)을 통하여 열전달을 수행토록 강 기화성재인 알콜이나 아세톤등으로서 이루어 지는 작동유체(210)가 히트 파이프(100)의 내측에 5~30% 충진된다.

이때, 상기 히트 파이프(100)에 충진되는 작동유체(210)의 량이 5% 이하이면 수평상태로 설치되는 히트 파이프(100)의 하부에만 위치토록 되어 위크(310B)와 접촉이 어렵게 됨으로써 지속적인 동작이 불가능하게 된다.

또한, 상기 작동유체(210)의 량이 30% 이상이 되면, 히트 파이프(100)에 전달되는 열을 작동유체(210)가 흡수토록 함으로써 온도가 저하되어 기화의 속도가 느려짐은 물론 기화된 기체의 운반에 저항을 받도록 되어 열전달 효율이 50% 이하로 저하된다.

상기 작동유체(210)를 기화 시키는 기화수단(320)은, 히트 파이프(100)의 내측으로 열원의 접촉부에 설치토록 되면서 미세홈(310A)이나 위크(310B)로서 이루어 지거나 미세홈(310A)이나 위크(310B)가 일체로 설치되어 이에 접촉토록 되는 작동유체(100)가 열원에서 전달되는 고온에 의해 순식간에 기화되어 열전달을 수행토록 된다.

이때, 상기 기화수단(320)은, 히트 파이프(100)의 전체 길이에 대하여 1~30%의 길이를 갖도록 형성되며, 상기 위크(310B)는, 히트파이프(100)가 구리재질의 경우 구리 또는 청동재의 재질이 사용되고, 스테인레스 재질의 경우 스테인레스재질로서 이루어 지며, 위크(310B)가 30%이상의 길이로 형성될 경우 재료량이 증가되어 생산비가 증가됨은 물론 위크(310B)를 삽입하는 제조공정 자체가 어려워져 도표에서 도시한 바와같이 열효율이 저하된다.

또한, U 형상의 히트 파이프(100)가 형성되어 열원에 접촉토록 되는 단부 내측에 위크(310B)를 각각 설치한후 상기 위크(310B)를 연결심지(400)로서 연결하여 U자형 히트 파이프(100)의 내측에 충진되는 작동유체(210)를 각각의 위크(310B)에 신속하게 이동시켜 원활한 기화가 가능토록 한다.

그리고, 상기 기화수단(320)을 구성하는 미세홈(310A)은, 그 내측에 유입되는 작동유체(210)가 일정 막 형상을 갖도록 일정 깊이로 형성되어 위크(310B)와 별도로 설치되거나 일체로 설치되고, 상기 위크(310B)는, 히트 파이프(100)의 전체 길이에 대하여 1~50%의 길이로 형성되면서 100~300 Mesh의 규격을 갖도록 형성되어 작동유체(210)의 증발작용을 수행토록 한다.

상기 위크(310B)의 메시는 그 크기가 100이하가 되면 모세관 현상의 감소로 인하여 증발의 효율이 저하되어 신속한 열전달이 불가능하고, 300이상이 되면 기화는 신속하게 이루어지나 메시 자체가 너무 미세하여 히트 파이프(100)의 내부에 접촉되도록 설치하는데 어려움이 있음은 물론 열에 의한 손상과 삽입시 파손이 발생하게 된다.

상기와 같이, 히트 파이프(100)의 내측에 열원(410)에 위치토록 위크(310B)를 설치한후 작동유체(210)를 충진하여 진공상태를 형성하고, 상기 히트 파이프(100)를 열원(410)에 접촉시키면 고온 상태의 열원에 의해 위크(310B)가 삽입되는 쪽의 히트 파이프(100)를 가열하게 된다.

이때, 상기 부분 위크(310B)는, 일정 형태의 메시(약 100~300)를 갖도록 되어 각각의 메시에 미세한 망 형상으로 형성되는 작동유체(210)를 기화시켜 히트 파이프(100) 전체에 기체가 이동하게 되고, 이때 잠열을 갖는 기체가 히트 파이프(100)의 전체에 기화잠열을 전달하고, 상기 잠열이 히트 파이프(100)의 외측에 열을 발산한다.

계속하여, 상기 기체는 히트 파이프(100)의 내경측에서 응축되어 저면에 모이게 되고, 이는 유체 상호간의 응집력 및 유체가 수평을 유지하려는 작용과 히트 파이프(100)의 내측에 삽입되는 위크(310B)의 모세관 현상에 의해 부분적으로 설치되는 위크(310B)에서 기화와 동시에 흡입토록 되는 동작을 통하여 작동유체(210)를 계속 공급함으로써 열원(410)에 의해 열의 지속적인 공급시 기화와 응축 및 유체의 흡입동작을 연속하여 수행토록 한다.

또한, U자 형상의 히트 파이프(100)의 경우, 열원(410)의 접촉부 내경측에 각각 위치토록 설치되는 위크(310B)가 연결심지(400)에 의해 일체로 연결되어 위크(310B)에 침적되는 작동유체(210)가 기화후 응축될 때 상기 응축되는 작동유체(210)를 위크(310B)에 용이하게 전달토록 한다.

그리고, 히트 파이프(100)의 내측에 부분적으로 설치되는 위크(310B)에 연결심지(400)를 연결하여 히트 파이프(100)의 하단에 고정시키면 가열부분이 응축 부위보다 약간 높을 경우에도 액체의 상태로 응축된 작동유체(210)가 연결심지(400)에 흡입되면서 위크(310B)쪽으로 지속적으로 운반되므로 지속적인 기화와 응축이 연속적으로 수행토록 된다.

그리고, 상기 히트 파이프(100)의 내경측에 설치되는 기화수단(320)이 다수의 미세홈(310A)을 갖도록 되어 일정깊이의 미세홈(310A)에 작동유체(210)가 흡입될 때 일정 망상형을 갖도록 되어 위크(210)와 동일한 효과를 가져온다.

더하여, 상기 기화수단(320)은, 미세홈(310A) 및 위크(310B)가 일체로 형성되어 그 효과를 배가 시킬수 있도록 된다.

계속하여, 상기 히트 파이프(100)가 수평상태로 설치될 때 응축되는 작동유체(210)는, 중력의 작용에 의해 수면이 수평상태를 유지토록 되어 위크(310B)에 접촉토록 됨으로써 신속한 유체의 이송이 가능토록 되다.

실시예

본 발명은, 내외경이 각각 12Ф, 10Ф이고, 길이가 3m인 구리재질의 히트파이프(100)를 사용하고, 상기 히트 파이프(100)의 내측에 삽입되는 위크(310B)는, 10㎝의 길이에 150mesh의 규격을 사용하였으며, 그 권선 횟수는 2회로 한정하였고, 작동유체(210)는 전체 부피에 대하여 10%의 알콜을 사용하여 시험하였으며, 상기 지점은 T1이 열원에 접촉토록 되는 히트 파이프(100)의 단부로부터 20㎝지점, T2는 90㎝지점, T3는 160㎝지점, T4는 230㎝지점, T5는 300㎝지점에 각각 위치토록 된다.

(도표1:위크를 전체적으로 설치할 경우)

부분	열량(W)	접촉부온도(℃)	지점온도(T1)	지점온도(T2)	지점온도(T3)	지점온도(T4)	지점온도(T5)	온도편차(ΔT)
1	50	52.7	55.5	49.8	49.9	49.6	46.9	8.6
2	50	54	57.9	43.7	43.8	44	43.7	14.2
3	50	55.2	57.9	45.4	44.7	45.6	44.2	13.7

(도표2:위크를 부분적으로 설치할 경우)

부분	열량(W)	접촉부온도(℃)	지점온도(T1)	지점온도(T2)	지점온도(T3)	지점온도(T4)	지점온도(T5)	온도편차(ΔT)
1	50	52.7	53.7	50.7	50.7	51.1	49.7	4
2	50	54	54.0	52	52.2	52.3	51.7	3.2
3	50	55.2	56.7	52.6	52.8	52.9	52.7	4

도표1 및 2는 도5A에서와 같이 열원(410)에 일단이 각각 접촉토록 설치되는 3개의 히트파이프(100)를 5개의 지점에서 그 온도를 측정하였고, 그 결과 상기에서와 같이 약 20% 이상의 효율 증가를 가져왔다.

뿐만 아니라, 위크(310B)의 량을 최소화 하여 생산비를 감소시키고, 도6에서와 같이 각부분의 온도차를 최소화 하며, 신속한 열 전달이 가능토록 되었다.

이와같이 본 발명에 따른 열 교환장치에 의하면, 난방배관의 부식과 파손 및 이에 따른 누수를 완벽하게 방지하고, 난방배관내의 스케일 발생이 방지되어 이에 따른 효율저하나 파손이 방지되며, 난방배관이 배설되는 방바닥 전체의 온도를 균일하게 유지하고, 난방배관내 고온의 유체가 흐르지 않아 최소의 유량으로 보일러의 용량을 증가 시킬수 있으며, 히트 파이프의 과열이 신속하게 이루어짐은 물론 히트 파이프의 생산가 및 불량율을 현저하게 감축시키고, 난방효율을 상승토록 하는 우수한 효과가 있다.

Claims

진공상태의 밀폐공간을 갖도록 형성되는 히트 파이프(100);

상기 히트 파이프(100)의 내측으로 충진되는 작동유체(210)및,

상기 히트 파이프(100)의 내측으로 작동유체(210)가 침적토록 설치되는 기화수단(320)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열 교환장치
제1항에 있어서, 상기 기화수단(320)은, 히트 파이프(100)의 전체 길이에 대하여 열원(410)에 적어도 일부분이 접하도록 1~30%의 길이를 갖는 위크(310B)로서 이루어 지는 것을 특징으로 하는 열 교환장치
제1,2항에 있어서, 상기 기화수단(320)은, 위크(310B)에 연결심지(400)가 일체로 연결되는 것을 특징으로 하는 열 교환장치
제1,2항에 있어서, 상기 히트 파이프(100)의 내측에 삽입되는 위크(310B)는, 100~300메쉬를 갖도록 되어 1~5회 권선되는 것을 특징으로 하는 열 교환장치
제1항에 있어서, 상기 히트 파이프(100)의 내측에 삽입되는 작동유체(210)는, 히트 파이프(100)의 내경측 부피에 대하여 5~30%의 부피를 갖는 강 기화성 유체인 것을 특징으로 하는 열 교환장치