KR200281171Y1 - 배기열 회수용 플라스틱 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 산업체와 상업용 건물의 공기조화장치 또는 아파트, 지하상가, 지하철 등의 환기장치에서 배출되는 배기열을 회수함으로써 냉난방 에너지를 절약할 수 있는 열교환기에 관한 것으로, 특히 전열판이 박막의 플라스틱으로 성형되어 있으며 열전달이 일어나는 전열면이 물결형으로 구성되어 열교환 면적이 넓어짐과 동시에 대류열전달이 촉진될 수 있도록 한 배기열 회수용 플라스틱 열교환기에 관한 것이다.

이러한 본 고안은 박막의 플라스틱 전열판을 물결형으로 성형하므로써 단위판당 전열면적이 넓어져 열전달량을 증가시키는 효과가 있으며, 전열판의 물결모양 요철을 90° 방향의 교호로 접합시키므로써 복잡하게 형성되는 유로에 의해 저속의 유동에서도 난류를 쉽게 발생시키게 되어 열전달 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 한편 간단한 제작공정에 의해 열교환기를 제공할 수 있게 된다.

Description

배기열 회수용 플라스틱 열교환기{Plastics heat exchanger for exhaust heat withdrawal}

본 고안은 산업체와 상업용 건물의 공기조화장치 또는 아파트, 지하상가, 지하철 등의 환기장치에서 배출되는 배기열을 회수함으로써 냉난방 에너지를 절약할수 있는 열교환기에 관한 것으로, 특히 전열판이 박막의 플라스틱으로 성형되어 있으며 열전달이 일어나는 전열면이 물결형으로 구성되어 열교환 면적이 넓어짐과 동시에 대류열전달이 촉진될 수 있도록 한 배기열 회수용 플라스틱 열교환기에 관한 것이다.

근래에는 쾌적한 환경의 추구로 인하여 냉난방을 위한 공조시스템과 환기장치의 사용은 확대되었으며, 이로 인해 여름 및 겨울의 에너지 사용량이 급증하고 있는 것이었다.

특히 상기 공조시스템과 환기장치에서 나오는 배기열은 온도는 낮지만 그 양이 대단히 많음은 물론 도입되는 외기를 가열 또는 냉각하는데 직접 사용할 수 있기 때문에 배기열 회수에 대한 대책이 시급한 실정인 것이었다.

게다가 에너지 절약의 일환으로 실내 공간은 더욱더 밀폐와 단열을 요구하게 되었고, 결과적으로 환기량이 적게 됨에 따라 실내 공기의 질은 악화되었으며, 이를 해결하고자 적절한 배기열 회수장치가 부착된 환기시설의 설치가 요구되고 있는 것이었고 이와 같은 배기열 회수장치를 사용할 경우 50∼70%의 배기열을 회수하여 냉난방에 소요되는 에너지를 상당부분 절약할 수 있는 것이었다.

종래의 공조시스템에서는 회전축열식 열교환기, 히트파이프식 열교환기, 알루미늄 판형 열교환기 등이 배기열회수용으로 주로 사용되고 있으나, 이들 열교환기는 유지,관리가 어렵고 고가이기 때문에 건축설계자나 건물주가 사용을 기피하여 일부 상업용 건물에만 적용되고 있다. 따라서 가격이 저렴하며 설치가 쉽고 열전달 성능이 뛰어난 소형 열교환기로 대체되고 있는 추세이다.

지금까지는 알루미늄이 배기열 회수용 열교환기의 재료로 주로 이용되어 왔으나, 상기 알루미늄을 이용하여 제작한 다수의 전열판을 적층하여 열교환기로 제작함에 있어 많은 어려움이 있는 것이었다. 즉 종래에는 다수의 전열판을 적층한 후 이 전열판을 상호간 접착할 경우 두 전열판의 테두리부를 절곡하여 어느 하나의 전열판 테두리부가 다른 전열판의 테두리부를 감싼채 접철시키므로써 작업공정이 매우 복잡하고 추가적인 인력이 소요되어 생산성이 저하되는 것이었다.

이로 인해 현재는 플라스틱이나 종이 등의 다양한 비금속 재질의 사용이 증대되고 있다. 비금속 재질의 열교환기는 저가로 제작할 수 있으며, 경량화 할 수 있고, 부식의 위험이 적다는 장점을 가지고 있다. 그러나 열전도계수가 알루미늄에 비해 매우 낮기 때문에 열전달 성능이 저하되는 문제점이 있는 것이었다.

즉 비금속 재료를 이용한 종래의 플라스틱 열교환기는 아직 연구가 미비하고 무엇보다 열전달을 촉진시키기 위한 많은 연구가 수행되지 않아 일반적으로 평판-핀형의 단순한 형상으로 이루어진 것으로, 낮은 열교환 효율을 보이고 있어 배기열 회수를 통한 에너지 절약효과가 알루미늄 열교환기에 비해서 미약한 실정인 것이었다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 일소하기 위한 방안으로 박막의 플라스틱으로 전열판을 제작하고, 전열면을 물결모양의 요철로 성형하여 열교환 면적을 넓혀줌과 동시에 대류열전달을 촉진시키므로써 기존의 알루미늄 열교환기에 비해 가격이 훨씬 저렴한 반면 종래에 사용되고 있는 평판-핀형 플라스틱 열교환기의 문제점인 열성능 저하를 동시에 해결할 수 있도록 하는 것이다.

또한 전열판의 사방 테두리부에 요철면을 교대로 형성하므로써 상기 전열판을 90°방향의 교호로 적재한 후 상호 밀착되는 요부와 철부를 열융착하는 간단한 공정으로 열교환기를 제작할 수 있도록 하는 것이다.

이러한 본 고안은 박막의 플라스틱 전열판을 물결형으로 성형하므로써 단위판당 전열면적이 넓어져 열전달량을 증가시키는 효과가 있으며, 전열판의 물결모양 요철을 90° 방향의 교호로 접합시키므로써 복잡하게 형성되는 유로에 의해 저속의 유동에서도 난류를 쉽게 발생시키게 되어 열전달 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 한편 간단한 제작공정에 의해 열교환기를 제공할 수 있게 된다.

도 1 은 본 고안이 적용된 물결형 열교환기의 사시도

도 2 는 본 고안 물결형 열교환기의 분해사시도

도 3 은 본 고안의 배기열 회수상태를 개략적으로 나타낸 평면도

도 4 는 도 3의 A-A선 단면도

도 5 는 도 3의 B-B선 단면도

도 6 은 본 고안의 성능평가 실시도

도 7 은 본 고안의 다른 실시예 평면도

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1: 열교환기 10: 전열판 11: 요입면

12: 접합면 13: 전열면

본 고안의 구성은 도 1 내지 도 3 에 의해 확연하게 보여지는 것으로, 이를 근거로 하여 실시가능할 정도의 상세한 설명을 하면 다음과 같다.

본 고안의 열교환기(1)를 구성하는 다수의 전열판(10)은 전체적인 형상이 사각체로 적층이 용이함은 물론 적층이 완료된 후에는 어느 한 방향으로 배출공기 혹은 외부공기가 통과할 수 있도록 대응하는 어느 한쌍의 측면부가 개방된 형태를 취한다.

이를 위해 전열판(10)의 마주하는 어느 한쌍의 테두리부를 인접된 다른 테두리부 보다 함몰되게 요입면(11)으로 형성하고, 상기 요입면(11)에 인접된 다른 한쌍의 테두리부는 돌출되게 접합면(12)을 형성한다.

즉 전열판(10)의 사방 테두리부는 요철이 형성된 것으로, 요입면(11)을 통해서는 배출공기 혹은 외부공기가 통과될 수 있으며 요입면(11) 및 접합면(12)에 대응하는 상,하부면은 자연적으로 돌출,함몰된 형태의 접합면(12)과 요입면(11)을 형성하게 된다.

상기 전열판(10)의 중앙부에는 본 고안의 핵심기술인 전열면(13)을 형성한다. 전열면(13)은 요입면(11)과 접합면(12) 사이에 대각선 방향으로 물결모양의 요철형태로 성형하여 단위판당 전열면적을 최대로 증대하므로써 열전달량을 향상시키는 동시에 난류가 쉽게 발생될 수 있도록 한다.

한편 상기 전열판(10)은 폴리프로필렌(PP)과 같은 플라스틱을 주원료로 하되 종래의 알루미늄에 비해 열전도계수가 낮아 열전달 성능이 저하됨을 방지하기 위해 열전달 촉진기술을 접목하여 전열면(13)과 유동공기 사이의 대류열저항을 감소시키므로써 열전달성능을 기존의 알루미늄 열교환기에 비해서 향상시킬 수 있도록 한다.

이러한 구성을 갖는 전열판(10)을 다수개 적층하여 열교환기(1)를 형성함에 있어 종래 복잡한 작업공정에 의존하던 것과 달리 본 고안에서는 도 2 와 같이 전열면(13)의 물결모양이 상호 엇갈리게 90° 방향의 교호로 적층시키되 어느 하나의 전열판(10) 요입면(11)과 대응하는 다른 전열판(10)의 접합면(12)을 열융착시키는 간단한 공정으로 열교환기를 제작할 수 있어서 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

따라서 전열판(10)은 접합면(12)측이 밀폐된 상태이고 요입면(11)은 개방된 형태이므로 도 4 와 같이 자연적으로 공기가 유입,배출될 수 있는 유입구(14)와 유출구(15)를 형성하게 되며 상기 유입구(14)와 유출구(15)를 통해 일방향으로만 배출공기나 외부공기가 유동될 수 있게 된다.

또한 전열판(10)은 90° 방향의 교호로 적층함에 따라 유입구(14) 및 유출구(15)가 직교류상태로 설치되므로써 어느 한쌍의 요입면(11)을 통해서는 단독으로 배출공기 만을 통과시키고 인접된 다른 요입면(11)을 통해서는 외부공기를 단독으로 통과시켜 전열판(10)의 사이에서 배출공기와 유입공기가 직교류 상태로 통과하면서 상호간 열교환을 할 수 있도록 한다.

여기에서 전열판(10) 사이를 통과하는 배출공기와 외부공기는 물결모양의 전열면(13)에 의해 보다 복잡하게 형성된 유로를 통과하게 되므로 전열판(10) 사이에서 체류하는 시간(열교환되는 시간)이 연장되고 물결모양의 굴곡을 따라 유동하면서 저속의 유동에서도 난류를 쉽게 발생시켜 열전달 성능을 획기적으로 향상시키게 된다.

도 6 은 이러한 본 고안의 성능평가를 위해 플라스틱을 이용한 종래의 평판-핀형, 본 고안의 물결형을 설계, 제작하여 성능평가를 실시한 결과를 나타낸 것이다.

상기 성능평가 결과에 의하면 열전달 성능과 압력손실을 동시에 고려하여 동일 송풍기 동력에서의 성능을 비교한 결과 면풍속 2.5m/sec 에서 본 고안은 열전달 촉진기술이 적용되지 않은 평판형에 비해서 열전달 성능이 41% 증가하였고, 종래에 사용되고 있는 평판-핀형에 비해서는 72% 정도 증가하였으며, 풍속이 증가함에 따라 성능이 더욱더 향상됨을 알 수 있게 된다.

한편 본 고안에서 전열판(10)의 전체적인 형상을 사각체로 실시하였지만 이에 한정되지 않고 마름모나 육각형 형상을 비롯한 다양한 형태로 실시할 수 있는 것으로, 전열판(10)의 전체적인 형상변화를 꾀하더라도 본 고안의 범주는 벗어날 수 없는 것이다.

또한 도 7 은 본 고안 다른 실시예의 평면도를 나타낸 것으로 물결모양의 요철로 이루어진 전열면(13)에 요철 길이방향으로 물결모양의 요철을 2차적으로 성형시킨 것으로서, 열전달 성능을 더더욱 향상시킬 수 있게 된다.

본 고안은 현재 대부분 버려지고 있는 막대한 양의 아파트, 상업용 건물, 지하상가, 지하철, 공장 등의 공조 및 환기 배기열을 50%∼70% 회수할 수 있으므로 에너지를 획기적으로 절약할 수 있고, 기존의 알루미늄 열교환기에 비해 가격이 훨씬 저렴한 반면 종래 사용되고 있는 평판-핀형 플라스틱 열교환기에 비해서 열성능을 50% 이상 향상시킬 수 있는 일석이조의 효과가 있게 된다.

또한 플라스틱을 주원료로 하므로 재활용을 통해 환경오염을 방지할 수 있는 효과가 제공된다.

Claims (3)

1. 박막의 플라스틱 전열판(10)의 마주하는 어느 한쌍의 테두리부가 함몰되게 요입면(11)을 형성하고,

   상기 요입면(11)에 인접된 다른 한쌍의 마주하는 테두리부는 돌출되게 접합면(12)을 형성시키며,

   상기 요입면(11) 및 접합면(12) 사이에 대각선 방향으로 전열면적 증대 및 난류 발생을 위해 물결모양의 요철로 전열면(13)을 성형하는 한편,

   상기 전열판(10)을 90° 방향의 교호로 적재하되 어느 하나의 전열판(10) 요입면(11)과 대응하는 다른 전열판(10)의 접합면(12)을 일체로 열융착시킨 것을 특징으로 하는 배기열 회수용 플라스틱 열교환기.
2. 청구항 1 에 있어서,

   마주하는 어느 한쌍의 요입면(11)을 통해서는 배출공기가 통과되게 하고, 인접된 다른 한쌍의 요입면(11)을 통해서는 외부공기가 통과되게 하여 전열판(10)의 사이에서 배출공기와 외부공기를 열교환시키는 한편 상기 배출공기 및 외부공기는 전열면(13)의 물결모양 굴곡을 따라 유동하면서 난류를 발생시켜 열전달 성능을 향상시키는 것을 특징으로 하는 배기열 회수용 플라스틱 열교환기.
3. 청구항 1 에 있어서,

   전열면(13)은 요철 길이방향으로 물결모양의 요철을 2차적으로 성형시킨 것을 특징으로 하는 배기열 회수용 플라스틱 열교환기.