KR20010068439A - 전자장비 함체의 수동공조시스템 설계법 - Google Patents

Abstract

내부에 열발생원인 전자장비가 설치되어 있고 외부열이 내부에 영향을 미치지 않도록하는 단열벽체로 구성된 함체와, 상기 함체벽을 사이에 두고 순환펌프를 갖는 실내기와 실외기를 저수조에 의하여 상호 연락되게 결합하되 저수조에는 외기에 노출되는 것을 방지하기 위한 단열구조가 형성된 열교환기를 갖는 전자장비함체의 수동공조시스템의 설계에 있어서, 상기 단열벽체의 최소단열두께(Lmin)와, 상기 저수조의 용량(M_t) 및 상기 실외기의 유효열전달면적(A_o)은 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로하는 전자장비함체의 수동공조시스템 설계법에 관한 것이다.

,,

k는 단열벽체의 열전도계수, A_W는 벽체의 총면적, T_min은 함체내부의 최소허용온도, T_ymin,∞는 연중회소 외기온도, Q는 함체내부의 열발생량, Q_total는 실내기가 냉각해야 할 총 냉각량, C_P는 물의 비열, ΔT는 냉수와 온수의 온도차, Q_total는 실내기가 냉각해야할 총 냉각량, C_P는 물의 비열, ΔT는 냉수와 온수의 온도 차이이다.

Description

전자장비함체의 수동공조 시스템 설계법{The design of method of passive conditioning system for electronic shelters}

본 발명은 열발생원을 갖는 전자장비함체의 내부를 냉각시키기 위한 수동공조 시스템 설계법에 관한 것으로 특히, 대륙성 기후와 같이 일교차가 비교적 작은 지역에서 외기가 하강하는 야간에 외부의 냉기를 흡수한 용수를 저수조에 저장하고 외기 온도가 높아지는 주간에 저수조에 저장된 차가운 용수를 전자장비함체 내부로 순환시킴으로서 전자장비함체 내부의 열을 흡수 방출하도록한 전자장비함체의 수동공조 시스템 설계법에 관한 것이다.

대륙성 기후지역의 경우 사막과 같이 일교차가 크지는 않으나 주간과 야간의일교차가 있으며, 이러한 일교차를 갖는 지역에서는 주간의 고온 열기가 열발생원을 갖는 전자장비 자체에서 발생하는 열에 더해져 전자 장비를 구성하는 부품을 손상시키는 문제가 있을 뿐만 아니라 주간에 가열된 전자장비함체 내부의 고온이 야간에 외부의 냉기와 접하게 됨에 따라 전자장비 함체의 내부에 결로(結露) 현상이 발생하게 함으로서 습기에 특히 예민한 전자장비가 오동작을 유발시키거나 심하게는 전자장비 자체를 손상시키는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로 야간의 차가운 냉기를 용수가 순환되는 실외기를 이용해 단열된 저수조내에 저장하고, 외기 온도가 높아지는 주간에 저수조에 저장된 냉각된 용수를 전자장비함체내에 흐르게함으로서 비교적 일교차가 크지 않은 지역에서 외기의 고온에 의해 전자장비가 과열되는 것을 방지하고, 일교차에 의한 전자장비함체 내부의 결로 현상이 발생하는 것을 방지함으로서 전자장비의 원활한 동작은 물론 전자장비의 손상을 방지할 수 있도록한 전자장비함체의 수동공조 시스템 설계법을 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 전자장비함체의 수동공조 시스템의 구성도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*

10 : 함체 20 : 단열벽체

30 : 열교환기 31 : 실내기

32 : 실외기 40 : 차폐막

본 발명은 내부에 열발생원인 전자장비가 설치되어 있고 외부의 열이 내부에 영향을 미치지 않도록 하는 단열벽체로 구성된 함체와, 상기 함체의 벽을 사이에 두고 순환펌프를 갖는 실내기와 실외기를 저수조에 의하여 상호 연락되게 결합하되 저수조에는 외기에 노출되는 것을 방지하기 위한 단열구조가 더 형성된 열교환기를 갖는 전자장비함체의 수동공조 시스템의 설계에 있어서, 상기 단열벽체의 최소단열두께(Lmin)는 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자장비함체의 수동공조 시스템 설계에 관한 것이다.

여기서, k는 단열벽체의 열전도계수, A_W는 벽체의 총면적, T_min는 한체내부의 최소허용온도, T_ymin,∞는 연중회소 외기온도, Q는 함체내부의 열발생량이다.

또한 본 발명은 내부에 열발생원인 전자장비가 설치되어 있고 외부의 열이 내부에 영향을 미치지 않도록 하는 단열벽체로 구성된 함체와, 상기 함체의 벽을 사이에 두고 순환펌프를 갖는 실내기와 실외기를 저수조에 의하여 상호 연락되게 결합하되 저수조에는 외기에 노출되는 것을 방지하기 위한 단열구조가 더 형성된 열교환기를 갖는 전자장비함체의 수동공조 시스템의 설계에 있어서, 상기 저수조의 용량(M_t)은 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자장비함체의 수동공조 시스템 설계법에 관한 것이다.

여기서, Q_total는 실내기가 냉각해야 할 총 냉각량, C_P는 물의 비열, ΔT는 냉수와 온수의 온도 차이이다.

또한 본 발명은 내부에 열발생원인 전자장비가 설치되어 있고 외부의 열이내부에 영향을 미치지 않도록 하는 단열벽체로 구성된 함체와, 상기 함체의 벽을 사이에 두고 순환펌프를 갖는 실내기와 실외기를 저수조에 의하여 상호 연락되게 결합하되 저수조에는 외기에 노출되는 것을 방지하기 위한 단열구조가 더 형성된 열교환기를 갖는 전자장비함체의 수동공조 시스템의 설계에 있어서, 상기 실외기의 유효열전달면적(A_o)은 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자장비함체의 수동공조 시스템 설계법에 관한 것이다.

여기서, Q_out는 실외기에서 방출해야할 열용량, T_max는 함체 내부의 허용 최고 온도, T_max,t는 저수조내의 최고 허용 온도, ΔT는 냉수와 온수의 온도차이, h_o는 실외기의 열전달 계수이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명이 적용되는 전자장비함체의 수동공조 시스템은 단열벽체(20)로 구성된 함체(10)와, 열교환기(30)와, 차폐막(40)을 갖는다.

함체(10)는 내부에 열발생원을 갖는 전자장비가 설치되어 있으며, 상기 함체(10)는 외부의 열이 함체(10)의 내부에 영향을 미치지 않도록 단열벽체(20)로 구성 하였다.

열교환기(30)는 함체(10)의 일측벽을 사이에 두고 내부와 외부에 각각 설치된 실내기(31)와 실외기(32) 및 이들 실내기(31)와 실외기(32)를 상호 연락 가능하게 연결하는 저수조(33)로 구성되며, 실내기(31) 및 실외기(32)를 저수조(33)와 연락 가능하게 연결시키는 연결관에는 각각 펌프(31a, 32a)와 밸브(31b, 32b)가 설치되어 있다.

저수조(33)는 그 내부에 저장된 용수가 외기의 온도에 의하여 영향을 받는 것을 방지하기 위하여 외기의 온도가 미치지 않는 정도의 깊이로 지하에 매설하여 단열시킴이 바람직하나, 이에 제한되지는 않는다.

상기 실내기(31)와 저수조(33)를 연락 가능하게 연결하고 있는 연결관의 결합함에 있어서, 실내기(31)을 통과하여 함체(10)내의 열을 흡수한 용수가 귀환되는 측의 배관은 저수조(33)의 상부에 연결시키고, 저수조(33)로부터 실내기(31)로 토출되는 측의 배관은 저수조(33)의 하부에 연결시킴으로서 실내기(31)에 공급되는 용수가 항상 낮은 온도를 유지할 수 있도록 하였다.

실외기(32)와 저수조(33)를 연락 가능하게 연결하고 있는 연결관은 실내기(31)을 통과하여 함체(10) 외부로 열을 방출한 용수가 귀환되는 측의 배관은 저수조(33)의 하부에 연결시키고, 저수조(33)로부터 실외기(32)로 토출되는 측의 배관은 저수조(33)의 상부에 연결시킴으로서 실내기(31)로부터 유입된 함체 내부의 열을 흡수하여 덮혀진 용수가 실외기(32)로부터 유입된 냉각된 용수와 혼합되는 것을 방지하여 실내기(31)에 공급되는 용수가 항상 낮은 온도를 유지할 수 있도록 하였다.

또한 상기 저수조(33)의 중단에 스펀지나 다수의 관통공(貫通功)을 갖는 격벽(隔璧)을 형성하여 온수와 냉수를 성층화시킴에 의해 상부의 덮혀진 온수와 하부의 냉각된 냉수가 서로 혼합되는 것을 방지함으로서 보다 효율적으로 함체의 냉각을 성취할 수 있다.

상기 실내기(31)나 실외기(32)로의 용수의 순환은 각각을 저수조(33)와 연락가능하게 연결하는 연결관에 설치된 펌프들(31a, 32a)에 의해 이루어지며, 이 펌프들(31a, 32a)의 구동을 제어함에 따라 실내기(31)나 실외기(32) 중 어느 일측으로 용수가 순환된다. 상기 실내기(31)는 주로 외기의 온도가 높은 시간에 작동하여 함체(10)내의 열을 흡수하여 함체(10)내부를 냉각시키고, 실외기(32)는 외기의 온도가 낮은 시간에 작동하여 저수조(33)에 저장된 실내기(31)로부터 유입된 온수를 냉각시키게 된다. 즉, 실내기(31)와 실외기(32)는 일정한 주기로 교번하여 구동되며, 저수조(33)의 저수 용량은 외기의 온도가 높은 시간 동안 함체(10)내의 열을 식히기에 충분한 양의 냉각수를 저장할 수 있는 정도이어야 하며 이는 함체(10)내에 설치된 전자장비의 발열량 및 함체(10)를 구성하는 단열벽체(20)의 단열성 및 두께에 따라 달라질 수 있다. 그러나 기후 조건에 따라 실내기와 실외기를 동시에 가동시킬 수도 있으며, 이러한 제어 방법은 프로그램이나 순차제어회로등에 의해 실현 가능한 것으로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

단열벽체(20)의 두께를 얇게 하면 제작이 용이하고 함체(10)의 내부의 허용 온도보다 외기 온도가 낮은 통상의 경우에는 외기로 발산되는 열량이 많으므로 열교환기가 부담하는 냉방부하가 감소하는 장점이 있으나, 반면에 함체(10)의 내부의 허용 온도가 외기 온도보다 낮은 경우에는 외부로부터 함체(10)의 내부로 열의 유입이 많으므로 열교환기가 부담하는 냉방부하가 증가하는 문제가 있고, 외기의 온도가 최저인 경우 함체(10) 내부 온도가 최저허용온도보다 낮아지면 전자장비의 오동작을 유발할 수 있으므로 이를 감안한 최적의 두계를 유지하는 것이 중요하다.

상기 차폐막(40)은 태양의 복사열을 차단하기 위한 것으로 함체(10)와 일체로 형성할 수도 있으나, 함체(10)와 소정 거리를 두고 이격된 상태로 설치함이 태양의 복사열에 의해 가열된 차폐막(40)의 열이 함체(10)에 영향을 미치지 않게 하는 것이 바람직하다.

이하, 상기 설명한 함체(10)를 구성하고 있는 단열벽체(20)의 최소단열두께와, 저수조(33)의 용량 및 실외기의 유효열면적을 구하는 방법을 일실시예를 들어 설명한다.

1. 함체를 구성하고 있는 단열벽체의 최소두께를 구하는 방법

먼저, 단열벽체(20)의 최소단열두께는 수학식1를 만족한다.

단열벽체의 최소단열두께를 구하는 수학식1을 유도하는 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다. 최소단열두께는 단열벽체의 열전도계수(k)를 함체 내부의 열발생량(Q)로 나누면 구할 수 있다.

이때 수동공조장치 내부의 온도가 최저허용온도 T_min를 유지한다고 보면 다음의 식이 성립한다.

여기서 T_ymin,∞는 연중 최저 외기 온도이고, A_w는 벽체의 총 면적이다. 따라서 실내기의 열전달 계수는 다음의 식과 같이 구해진다.

수학식 1을 U_max에 대한식으로 정리하여 수학식 4를 구할 수 있고, 수학식 4를 수학식 2에 대입하면 단열벽체의 최소단열두께에 대한 수학식 1을 구할 수 있다.

상기와 같은 단열벽체의 최소단열두께 산출 방법에 따른 일예를 들면 다음과 같다.

k=0.05W/m℃, A_W=24㎡, T_min=0℃, T_ymin,∞=20℃, Q=500W라고 할때,

W/m℃

가 된다.

다음으로 상기 실시예의 산출된 단열벽체의 최소단열두께를 일예로 연중 가장 더운 날을 기준으로 본 발명에 따른 열교환기를 설계해 보면 다음과 같다.

전제로 실내기 내부의 물의 온도는 저수조내의 물의 온도(T_t)와 실내기에서의 온도 상승분(ΔT)의 1/2을 더한 것과 동일하다고 본다.

따라서 저수조내의 온도(T_t)가 외기 온도(T_∞)보다 높으면 실외기가 가동되고, 함체 내부의 온도(T_ｒ)가 허용 최고 실내온도(T_max)가 되도록 실내기가 작동하므로 최악의 조건인 저수조내의 온도(T_t)가 최고 허용 온도(T_max,t)이고, 외기 온도(T_∞)가 T_max,∞이며, 함체 내부의 온도(T_ｒ)가 T_max일때 함체내부의 열(Q)을 효과적으로 제거 할 수 있는 열교환기를 일예로 설명하면 다음과 같다.

순환하는 용수의 양이 작으면 용수는 실내기의 내부에 유입되어 온도가 급상승하게 되고 이때 실내기로 유입되는 용수의 온도와 유출되는 온도의 차이는 ΔT가 된다

이 상태에서 정상적인 열 평형을 이루기 위해서는 수학식 8의 상태를 유지해야 한다.

따라서 저수조의 최고 허용 온도(T_max,t)는 수학식 9와 같다.

여기서 h_i는 실내기의 열전달 계수이고, A_i는 실내기의 유효 열전달 면적이다.

수학식 10에서 알수 있듯이 실내기의 열전달 계수와 유효 열전달 면적이 커지면 저수조의 용수 온도는 허용 최고 실내 온도(T_max)와 근사한 값을 갖게 되고 이에 따라서 야간에 냉각될 수 있는 시간이 길어진다.

그러나 실내기의 열전달 계수와 유효 열전달 면적이 커지기 위해서는 실내기가 커져야함으로 한계가 있으며, 따라서 본 발명은 일교차가 크고 외기의 온도가 낮은 시간이 긴 기후조건에 보다 적합하다.

이를 구체적인 값을 대비하여 예를 들면

T_max=30℃, T_max,∞=45℃, ΔT=5℃, T_min<∞=10℃, h_iA_i=80 W/℃ 라고 할 때 저수조의 최고 허용 온도(T_max,t)는 수학식 9에 의해 16.6℃가 된다.

실내기를 높이가 1m인 수직평판이라고 가정할 때 실내기의 열전달 계수(h_i)는 2.4W/㎡℃로서 실내기의 유효 열전달 면적(A_i)은 33.3㎡가 되며, 저수조의 최고 허용 온도(T_max,t)와 온도변화값(ΔT)의 합이 함체내부의 최고 허용 온도(T_max)보다는 충분히 작고, 최고 외기 온도(T_max,∞)크므로 전술한 조건을 충분히 만족시키게 된다.

2.저수조의 용량을 구하는 방법

다음으로 저수조의 용량은 수학식 2에 의해 구해진다.

냉수가 공급되지 않는 함체내의 온도가 허용치 T_max를 넘어서게 되는 외기 온도를 먼저 구해보면, 이는 수학식 8의 T_max,∞대신에 T_s,∞를 대입하고, 실내기의 연전달항을 제거하면 다음의 수학식 10과 같이 구해진다.

함체 외기의 온도가 상기 냉방 작동 개시 온도(T_s,m)보다 높으면 함체내부의 온도가 함체의 허용 최고 온도(T_ma)_x보다 높아지게 되므로 저수조의 냉수가 실내기로 흘러들어 냉방을 시작한다.

냉방 작동 개시 온도(T_s,m)가 최고 외기 온도(T_max,∞)보다 높다면

하루 동안 실내기가 냉방할 총 냉방량(Q_total)은

이 된다.

여기서 T_high는 실내기 가동 기간중의 평균 외기 온도이고, t₁은 실내기의 평균가동시간이다.

상기 실내기가 냉방할 총 냉방량(Q_total)을 온도차(ΔT)인 용수에 의해 저장된다면 그 용수의 양(M₁)은 다음과 같다.

여기서 C_p는 물의 비열이다.

3. 실외기의 유효 열전달 면적을 구하는 방법

다음으로 실외기의 크기를 구해보면 다음과 같다.

기본적으로 실외기는 저수조내의 저장온도(Tmax,t)보다 낮으면 가동된다. 실외기에 공급되는 물의 온도는 이미 실내기에서 덮혀진 온도인 Tmax,t+ΔT이며 실외기에서 냉각되어 나오는 용수의 온도는 Tmax,t가 되도록 실외기의 유량을 제어한다. 실외기가 작동을 시작하는 외기 온도는 Tmax,t이므로 Qtotal이라는 열량을 실외기의 구동시간(t2) 동안 냉각시켜야함으로 실외기에서 방출해야할 열용량(Qout)은

가 되고,

실외기의 열방출용량(Qout)은

이므로

로 주어진다.

실내기에서 마찬가지로 실외기의 열전달 계수(ho)와 유효 열전달 표면적(Ao)을 곱한 값(hoAo)이 결정되면 이 값으로부터 실외기의 유효 열전달 표면적(Ao)을 산출할 수 있다.

구체적인 값을 예를 들어 실외기의 크기를 구해보면 다음과 같다.

Tmax,t=16.7, Tmean=27.5, Tmax,∞=45 일때이 되고,

실외기의 구동시간(t₂)은 2.47×10⁴초이고, 평균 외기 온도(Tlow)는 12.3℃가 되며, 실외기에서 방출해야할 열용량(Qout)은 1.530W가 된다.

따라서 h_oA_o는 수학식 15에 의해 225W/℃가 된다.

실외기의 높이가 1m일 경우 실외기의 열전달 계수(Ao)는=106m²가 된다.

상기에서 설명한 실내기 및 실외기의 유효 전달 면적은 자연 대류식 방열 구조를 갖는 것에 관한 것으로 송풍팬 등의 수단을 이용 강제 냉각시에는 그 크기를 보다 감소시킬 수 있으며, 실외기와 실내기가 동시에 구동되는 시간이 있는 경우에는 냉각수가 실외기의 출구로부터 실내기의 입구로 직접 흐를 수 있록록함으로서 저수조의 저장용얄을 줄일 수 있다.

이와 같은 본 발명은 대륙성기후와 같은 일교차를 갖는 지역에서 야간의 차거운 냉기를 실외기와 연통된 저수조에 저장된 용수를 통해 흡수하여 보관하고 저수조에 보관된 냉각된 용수를 전자장비함체 외부의 기온이 상승하는 주간에 전자장비함체의 내부로 순환시킴으로서 열발생원을 갖는 전자장비로부터 발생된 열은 물론 함체 외부로부터 함체내부로 흡수된 열을 냉각시킴으로서 전자장비의 원활하게 구동되게 하고 이렇게 함으로서 함체내의 온도가 일정한 온도를 유지하게 하여 주간과 야간의 일교차에 의해 함체내에 발생될 수 있는 결로 현상을 방지할 수 있도록함으로서 장비의 원활한 작동과 과열 및 결로 현상에 의한 장비의 손상을 방지하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 내부에 열발생원인 전자장비가 설치되어 있고 외부의 열이 내부에 영향을 미치지 않도록 하는 단열벽체로 구성된 함체와, 상기 함체의 벽을 사이에 두고 순환펌프를 갖는 실내기와 실외기를 저수조에 의하여 상호 연락되게 결합하되 저수조에는 외기에 노출되는 것을 방지하기 위한 단열구조가 더 형성된 열교환기를 갖는 전자장비함체의 수동공조 시스템의 설계에 있어서,

   상기 단열벽체의 최소단열두께(Lmin)는 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자장비함체의 수동공조 시스템 설계법.

   여기서, k는 단열벽체의 열전도계수, A_W는 벽체의 총면적, T_min는 한체내부의 최소허용온도, T_ymin,∞는 연중회소 외기온도, Q는 함체내부의 열발생량이다.
2. 내부에 열발생원인 전자장비가 설치되어 있고 외부의 열이 내부에 영향을 미치지 않도록 하는 단열벽체로 구성된 함체와, 상기 함체의 벽을 사이에 두고 순환펌프를 갖는 실내기와 실외기를 저수조에 의하여 상호 연락되게 결합하되 저수조에는 외기에 노출되는 것을 방지하기 위한 단열구조가 더 형성된 열교환기를 갖는 전자장비함체의 수동공조 시스템의 설계에 있어서,

   상기 저수조의 용량(M_t)은 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자장비함체의 수동공조 시스템 설계법.

   여기서, Q_total는 실내기가 냉각해야할 총 냉각량, C_P는 물의 비열, ΔT는 냉수와 온수의 온도 차이이다.
3. 내부에 열발생원인 전자장비가 설치되어 있고 외부의 열이 내부에 영향을 미치지 않도록 하는 단열벽체로 구성된 함체와, 상기 함체의 벽을 사이에 두고 순환펌프를 갖는 실내기와 실외기를 저수조에 의하여 상호 연락되게 결합하되 저수조에는 외기에 노출되는 것을 방지하기 위한 단열구조가 더 형성된 열교환기를 갖는 전자장비함체의 수동공조 시스템의 설계에 있어서,

   상기 실외기의 유효열전달면적(A_o)은 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자장비함체의 수동공조 시스템 설계법.

   여기서, Q_out는 실외기에서 방출해야할 열용량, T_max는 함체 내부의 허용 최고 온도, T_max,t는 저수조내의 최고 허용 온도, ΔT는 냉수와 온수의 온도차이, h_o는 실외기의 열전달 계수이다.