KR200334083Y1 - 히트파이프를 이용한 경사형 방열기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 히트파이프를 이용한 방열기에 관한 것으로, 특히 열원에 의하여 가열되는 작동매체 충진관과 연통된 방열관이 상기 작동매체 충진관과 예각을 이루고 있어 방열관 외주면에 배열된 다수의 방열핀에서의 열교환이 원활하게 이루어 질 수 있어 열효율이 높은 방열기에 관한 것이다.

본 고안에 따른 히트파이프를 이용한 경사형 방열기는 열원; 상기 열원에 의하여 가열되는 작동매체 충진관; 상기 작동매체 충진관과 이루는 각도가 예각이 되도록 연통되어 있는 하나 이상의 방열관; 및 상기 방열관 외주면에 돌설되어 있는 다수의 방열핀을 포함하여 이루어진다.

Description

히트파이프를 이용한 경사형 방열기{INCLINATION-TYPE RADIATOR USING HEAT-PIPE}

본 고안은 히트파이프를 이용한 방열기에 관한 것으로, 특히 열원에 의하여 가열되는 작동매체 충진관과 연통된 방열관이 상기 작동매체 충진관과 예각을 이루고 있어 방열관 외주면에 배열된 다수의 방열핀에서의 열교환이 원활하게 이루어 질 수 있어 열효율이 높은 방열기에 관한 것이다.

일반적으로 방열기(radiator)는 온수를 열매체로 하는 난방기구의 부재로, 방열관에 배열된 방열핀을 통하여 열교환 하여 대기를 가온하는 장치이다.

근래에는 방열기의 열효율을 높이기 위하여 작동매체를 충진한 뒤 진공기 등으로 진공배기하여 진공처리한 히트파이프를 방열기에 적용한 예가 있다.

예를 들어 대한민국 실용신안공개 제1999-0040338호(1999.11.25.) 『히트파이프를 이용한 라디에이터』는 열매체 유동관을 내포한 작동매체 충진관과 일단부가 연통된 방열관의 타단부를 상호 연결하는 대류관을 통하여 열효율을 높인 방열기가 제시되어 있다.

또 대한민국 특허공개 제2001-0037159호(2001.05.07.) 『전열히트파이프를 이용한 방열기』에는 열원으로 전기히터를 사용한 히트파이프 방열기가 제시되어 있다.

그러나 이와 같은 공개된 실용신안과 공개특허의 방열기를 비롯한 종래 방열기의 방열관은 수직으로 배열되어 있어 방열관 외주면에 배열된 방열핀에서 열교환되어 가열된 대기가 수직 상승하면서 상부방열핀에 계속 접촉하게되고, 바깥쪽으로는 대류가 원활하게 이루어지지 못하므로, 결국 열교환이 효과적으로 이루어지지 못하여 방열기 전체의 열효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 명세서에서는 본 고안의 '경사형 방열기'와 대비하여 종래 방열기를 '수직형 방열기'라 한다.

본 고안은 상기와 같은 종래 수직형태로 배열된 방열관으로 인하여 열교환 된 대기의 대류가 방열핀과 충분하게 접촉하지 못하는 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것이다.

본 고안의 고안자들은 종래 수직형 방열관을 갖는 방열기와 본 고안의 경사형 방열기에 대하여 나선형 방열핀의 온도 비교측정 실험을 통하여 본 고안에 따른 방열기의 방열핀의 온도가 종래 수직형 방열기의 방열핀 온도 보다 낮으므로, 본 고안의 경사형 방열기에서 열교환이 보다 원활하게 이루어져 열이 발산되어 방열기 자체 온도가 상대적으로 낮아짐을 확인하고 본 고안을 완성하게 되었다.

이에 본 고안은 열원에 의하여 가열되는 작동매체 충진관과 연통된 방열관이 작동매체 충진관과 예각을 이루면서 연결되어 있는 방열기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

아울러 방열기의 열효율을 보다 높이기 위한 방열관의 연결구조와 방열핀의구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 고안에 따른 경사형 방열기 블록의 사시도,

도 2는 본 고안에 따른 경사형 방열기 블록의 단면도,

도 3a 및 도 3b는 종래 농업용으로 사용된 방열기의 일례를 나타낸 개략도 및 부분 확대도,

도 4a, 도 4b, 도 4c는 방열핀 온도 측정 실험을 위하여 사용된 방열기의 단면도,

도 5는 본 고안에 다른 경사형 방열기 블록을 온실에 설치한 상태를 나타낸 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,110: 열매체 유동관 20,120: 작동매체 충진관

30,130A,130B: 방열관 31,131: 연결수단

40,140: 방열핀 150: 연결관

R: 방열기 P: 식물

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안에 따른 히트파이프를 이용한 경사형 방열기는 열원; 상기 열원에 의하여 가열되는 작동매체 충진관; 상기 작동매체 충진관과 이루는 각도가 예각이 되도록 연통되어 있는 하나 이상의 방열관; 및 상기 방열관 외주면에 돌설되어 있는 다수의 방열핀을 포함하여 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 경사형 방열기를 상세히 설명하도록 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 방열기는 작동매체 충진관(20)에 4개의 방열관(30)이 배열된 방열기 블록을 도시한 것이다. 도시된 방열기 블록은 열매체 유동관(10)이 서로 종렬로 연결되어 사용될 수 있고, 몇 개씩 겹쳐서 집적하여 사용될 수도 있다. 그러나 도시된 방열기 블록에서 방열관(30)의 수와 연결형태, 방열기 블록의 배열 형태에 의하여 본 고안이 제한되는 것은 아니다.

도면에서 동일한 참조부호는 동일한 기능을 갖는 동일한 부재를 나타낸다.

본 고안에 따른 방열기에서 사용되는 작동매체의 가열을 위한 열원은 온수, 스팀 또는 전열선 등일 수 있는데, 도시된 방열기의 형태는 온수나 스팀을 위한 형태로 되어 있다. 열원의 종류와 형태에 의하여 본 고안이 제한되는 것은 아니다.

도 1 및 도 2에서, 온수나 스팀과 같은 열매체를 위한 유동관(10)은 작동매체를 위한 충진관(20)에 내포되어, 전체적으로 이중관 형태로 되어 있다. 상기 작동매체 충진관(20)과는 방열관(30)이 연통되어 있어, 작동매체 충진관(20)에 충진된 작동매체가 열매체에 의하여 가열되고 증발되어 방열관(30)으로 증발 확산되게 된다. 방열관(30)으로 확산된 작동매체의 열은 방열관(30) 외주면에 나사선 모양으로 감겨 돌아가는 나선형 방열핀(40)에서 주변 대기에 전달된다.

상기 열매체 유동관(10)은 양단이 개방되어 있어 보일러에 의하여 가열된 열매체(온수 또는 스팀 등)가 순환될 수 있는 형태로 되어 있다.

상기 작동매체 충진관(20)과 방열관(30)으로 이루어진 공간은 폐쇄되어 있다. 상기 작동매체 충진관(20)과 방열관(30)으로 이루어진 공간에서는 열매체에 의하여 증발된 작동매체가 방열관(30)으로 증발 확산되어 방열핀(40)을 통하여 대기와 열교환하고, 이어서 열을 빼앗겨 응축된 작동매체는 중력에 의하여 다시 작동매체 충진관(20)으로 모이게 된다.

상기 작동매체 충진관(20)에 충진되는 작동매체는 일반적으로 저온에서 널리 사용되는 물, 아세톤 등이 사용된다. 작동매체를 먼저 충진관(20)에 충진하고 충진관(20)과 방열관(30)이 이루는 공간을 진공화시켜 히트파이프를 만든다.

작동매체와 열매체는 동일한 유체일 수 있고, 이 경우 충진관(20)과 방열관(30)이 이루는 공간은 진공상태이므로 이 공간에 충진된 유체는 증발 온도가 대기압 상태인 경우보다 낮으므로 작동매체인 유체의 원활한 증발이 가능하다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 고안의 가장 큰 특징은 상기 방열관(30)과 작동매체 충진관(20)이 이루는 각도(θ)가 90도 보다 작은 예각이라는 점이다.

하기 실험예에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 방열관(30)과 작동매체 충진관(20)이 이루는 각도(θ)를 예각으로 하는 이유는, 방열관이 직각으로 세워진 경우 상승기류의 특성상 하단부의 방열핀에서 데워진 기류가 상단부 쪽 나선형 방열핀(40) 외측 부분과 주로 접촉하면서 수직상승하므로 외기가 방열핀 내측 부분까지 파고 들어가는 접촉이 잘 이루어지 않기 때문이다.

즉, 각도(θ)를 예각으로 하여 방열관(30)을 경사지게 할 경우에는 나선형 방열핀에서 데워진 기류가 상단부 나선형 방열핀의 아래 경사면을 따라 바로 대기 중으로 확산 방출되므로, 데워지지 않은 외기가 방열핀(40) 내부까지 쉽게 파고들어 열교환할 수 있는 접촉면적이 증가하게 된다. 따라서 동일 전열면적을 가지고도 단위 열교환량이 더 증가하고 그만큼 단위 방열량을 증가시킬 수 있다.

본 고안에서 상기 방열관(30)과 작동매체 충진관(20)이 서로 예각을 이룬다 함은 엄밀하게는 방열기 설치상태에서 중력방향에 대하여 방열관(30)이 수평을 이루지 않고 있다는 의미이다.

본 고안의 방열기에서 방열관과 작동매체 충진관이 예각을 이루며 연결되는 형태는 다양해 질 수 있다.

예를 들어 방열관의 일단부 만이 충진관과 연통되고 방열관의 타단부는 폐쇄되어 있는 형태일 수 있다. 그러나 이 경우에는 증발된 작동매체의 대류가 원활하지 못하여 열교환에 문제가 있다고 알려져 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 고안과 같이 충진관과 일단부가 연통된 방열관의 타단부를 서로 연결하는 방식이 가능하다. 서로 연결되는 방열관의 수는 2개 이상일 수 있다.

그러나 비용 대비 효율을 고려했을 경우, 도시된 바와 같이 2개의 방열관(30)을 두 개씩 짝지어 연결수단(31)으로 연결하는 것이 바람직하다. 그 이유는 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 종래 농업용으로 온실에서 사용되는 수직형 방열기와 도 1에 도시한 본 고안의 방열기를 비교해보면 알 수 있다.

먼저 도 3a에 대한 부분 확대도인 도 3b에서와 같이 외측 방열관(130A) 2개와 내측 방열관(130B) 2개를 하나의 연결관(150)으로 연결할 경우, 외측 방열관(130A)과 연결관(150)은 연결수단(131)으로 연결하고 용접하면 되지만, 내측 방열관(130B)과 연결관(150)의 연결을 위해서는 연결관(150)을 천공하여야 한다. 그런 다음 천공된 구멍 부분과 내측 방열관(130B)의 접촉면적을 넓히기 위하여 T-뽑기 공정을 거치는 것이 일반적이다. T-뽑기 공정을 통하여 돌출된 부분(151)에 내측방열관(130B)을 끼우고 용접한다. 미설명 참조부호 110은 열매체 유동관, 120은 작동매체 충진관, 140은 방열핀이다.

이렇게 도 3a 및 도 3b의 방열관(130A)(130B)과 연결관(150)의 연결시에는 도 1의 방열기에 비하여 연결관 천공공정 및 T-뽑기 공정이 추가되고, 동관(銅管)의 소모량도 증가된다. 또 방열관 상호간의 연결을 위한 용접포인트는 4개의 방열관을 구비한 방열기 블록을 기준으로 할 때, 도 3a의 것은 6개가 되지만, 도 1의 것은 4개면 된다.

따라서 도 3a의 방열관과 연결관의 연결 방식을 본 고안의 경사형 방열기에 적용할 경우, 제조비용이 상승하게 되므로 비용 대비 효율 면에서 도 1에서와 같이, 방열관(30)을 연결수단(31)으로 두 개씩 연결하는 방식이 바람직하다.

방열기의 열교환 효율, 궁극적으로는 열효율을 증가시키기 위한 방열기의 구조는 앞서 설명한 방열관(30)의 연결방식 외에, 방열핀의 특정 형태로도 달성 될 수 있다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이 방열관 외주면에 연속된 나선형으로 배열된 방열핀(40) 형태를 착안하였다. 이러한 나선형 방열핀(40) 형태는 동일 나관(裸管)보다 표면적이 약 17배 정도 더 크며, 표면적이 더 큰 만큼 열교환도 보다 많이 이루어지므로, 방열기의 열효율은 증가된다.

또 가열된 기체의 대류 특성상, 나선형 방열핀이 구비된 수직형 방열기에서는 가열된 기류가 수직상승하므로 나선형 방열핀이 가열 기류에 의하여 둘러싸인 형태가 되므로 외기가 쉽게 방열핀 사이로 파고들기 어렵지만, 나선형 방열핀이 구비된 경사형 방열기에서 가열된 기류는 상부 방열핀의 아래 경사면을 따라 상승하면서 바로 대기로 방출되므로 외기가 쉽게 방열핀 사이로 파고들 수 있게 되는 것이다.

따라서 본 고안의 경사형 방열기에서는 방열핀과 대기의 접촉면적이 수직형방열기에 비하여 더 크게 증가되고, 이에 따라 열교환 효율이 그만큼 증가된다.

본 고안에 따른 경사형 방열기의 핵심인 방열관(30)과 작동매체 충진관(20)이 예각을 이루는 것으로부터 얻어지는 열교환 효율의 증가는 다음의 실험예를 통하여 확인할 수 있다.

실험예> 경사형 방열기와 수직형 방열기의 열교환율 비교를 위한

온도측정 비교 실험

본 실험에 사용된, 동관으로 제조된 방열기는 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이 실험을 위하여 간략화된 형태이다.

방열기의 내관(210)은 즉 전열히터(H)의 전열봉(H1)이 삽입되며, 외관(230) 일단부에 일부분이 삽입되어 있고, 양단이 개방되어 있다.

방열기의 외관(230)은 일단부는 상기 내관(210)을 일부분 포함하고 있으며, 타단부는 폐쇄되어 있다. 외관(230)의 공간에는 작동매체로 물 50g을 주입하였다. 상기 외관(230) 외주면에는 나선형 방열핀(240)이 배열되어 있다.

물의 증발을 위한 열원으로는 150W 전열히터(H)를 사용하였고, 히터(H)의 전열봉(H1)을 내관(210)에 삽입하였다. 삽입된 전열봉(H1)으로 인하여 작동매체가 충진된 외관(230)이 이루는 공간은 폐쇄된다. 이때 전열면적은 0.685㎡ 였다.

구체적인 방열기 부재의 치수는 다음 <표 1>에 나타내었다.

[표 1] 실험에 사용된 방열기 부재의 치수

부재	외관(230)의길이 외경	방열핀(240)이 배열된 외관(230) 길이(L1)	방열핀(240)돌출길이(L2)
단위(mm)	1200 15.88	1100	9
부재	방열핀(240)두께	핀피치(외관 1인치 당 방열핀 수)	내관(210)외경
단위(mm)	0.5	10	9.52

<표 1>과 같은 치수를 갖는 방열기에 대하여 본 실험에서는 방열핀(240)의 온도를 측정하였는데, 이는 방열핀(240)에서의 열교환이 활발하게 이루어진다면 방열핀의 온도는 그만큼 낮아진다는 점에 착안한 것이다.

온도센서의 설치 부위는 총 4 곳으로, 방열핀(240) 전체 길이(L1) 1100mm 중, 양단에서 100mm 떨어진 지점에 해당하는 두 곳(P1,P4), 양단 설치위치(P1,P4)에서 각각 300mm 떨어진 지점에 해당하는 두 곳(P2,P3)에 온도센서를 설치하였다.

대기 온도는 28도였으며, 전열히터(H)를 가동시킨 후 30분이 경과된 시점으로부터 2분 간격으로 20분 간 방열핀의 온도를 측정하였다.

종래 수직형 방열기를 열교환율을 측정하기 위하여, 도 4a에서처럼 지면에 대하여 수직으로 세워놓고 방열핀의 온도를 측정하였다. 또 본 고안의 경사형 방열기의 열교환율을 측정하기 위해서는 도 4b 및 도 4c에서처럼 지면에 대하여 80도 및 40도의 각도를 이루도록 고정시킨 후 방열핀의 온도를 측정하였으며, 그 결과는 다음의 <표 2>, <표 3>, <표 4>에 나타내었다.

[표 2] 수직형 방열기의 방열핀 온도측정 결과

경과시간(분)	센서 설치 위치에 따른 온도(℃)P1 P2 P3 P4	합계	평균
2	93	104	101	105	403	100.8
4	93	104	102	106	405	101.3
6	93	104	102	106	405	101.3
8	92	105	103	107	407	101.8
10	93	106	104	108	411	102.8
12	94	105	103	107	409	102.3
14	93	106	104	108	411	102.8
16	93	106	104	108	411	102.8
18	94	107	104	109	414	103.5
20	93	107	105	109	414	103.5
합계	931	1054	1032	1073	4090	1022.5
평균	93.1	105.4	103.2	107.3	409.0	102.3

[표 3] 지면에 대하여 80도 기울어진 경사형 방열기의 방열핀 온도측정 결과

경과시간(분)	센서 설치 위치에 따른 온도(℃)P1 P2 P3 P4	합계	평균
2	92	97	93	99	381	95.3
4	92	98	94	99	383	95.8
6	92	99	94	100	385	96.3
8	92	100	95	101	388	97.0
10	93	101	97	102	393	98.3
12	93	102	97	103	395	98.8
14	94	103	98	104	399	99.8
16	95	103	98	105	401	100.3
18	95	104	99	106	404	101.0
20	96	105	100	106	407	101.8
합계	934	1012	965	1025	3936	984.0
평균	93.4	101.2	96.5	102.5	393.6	98.4

[표 4] 지면에 대하여 40도 기울어진 경사형 방열기의 방열핀 온도측정 결과

경과시간(분)	센서 설치 위치에 따른 온도(℃)P1 P2 P3 P4	합계	평균
2	96	91	93	97	377	94.3
4	96	92	93	97	378	94.5
6	95	91	92	96	374	93.5
8	95	91	92	96	374	93.5
10	95	90	92	96	373	93.3
12	94	90	91	96	371	92.8
14	95	90	92	95	372	93.0
16	96	91	93	97	377	94.3
18	96	91	93	97	377	94.3
20	96	91	93	97	377	94.3
합계	954	908	924	964	3750	937.5
평균	95.4	90.8	92.4	96.4	375.0	93.8

<표 2>에서 알 수 있는 바와 같이, 도 4a에서처럼 지면에 대하여 수직으로 세운 방열기에서는 히터(H)와 가까운 위치(P1)에서 온도가 낮고 히터(H)로부터 멀수록 방열핀의 온도가 높은 것을 알 수 있는데, 그 이유는 히터(H)와 가까운 위치(P1)의 방열핀에서 열교환 되어 가열된 대기가 상승하면서, 상부의 방열핀을 가열하기 때문인 것으로 여겨진다.

특히 이러한 현상은 <표 3> 및 도 4b에서처럼 80도로 기울인 방열기에서도 일정 정도 확인되나, <표 4> 및 도 4c에서처럼 40도로 기울인 방열기에서는 오히려 중간 위치(P2,P3)에 위치한 방열핀의 온도가 양단 위치(P1,P4)에 위치한 방열핀의 온도 보다 낮은 것에서 추론컨대, 수직에서는 수직방향으로 오르는 상승기류의 특성상 하단의 열기가 상단에 미치는 영향이 큰 데 비해서 각도가 작을수록 이러한 효과는 줄어들고 한쪽 끝이 방열핀이 없어 인근 방열핀이 적은 양끝단 부분보다 방열핀이 계속 연결되어 있는 중간부분이 인근 발열핀에 의한 상승 작용으로 좀더 활발한 대류현상이 일어난 것으로 파악된다.

<표 2>, <표 3>, <표 4>에서 확인할 수 있는 바와 같이, 방열핀의 평균온도는 각각 102.3(수직형, 도 4a), 98.4(80도 경사형, 도 4b), 93.8(40도 경사형, 도 4c)였는데, 이로부터 수직형 방열기 보다는 경사형 방열기의 방열핀에서 열교환이 활발히 일어나고, 더 나아가 경사정도가 클수록 방열핀에서의 열교환이 보다 활발히 일어나는 것을 확인할 수 있다.

도 4a의 수직형 방열기 방열핀의 평균온도를 기준으로 했을 때, 도 4b의 경사각이 80도인 방열기의 효율이 약 3.8%(=(98.4 ÷102.3) ×100), 도 4c의 경사각이 40도인 방열기의 효율이 약 8.3%(=(93.8 ÷102.3) ×100) 증가되는 수치에 해당한다.

이러한 효율 증가치는 50W 히터가 130 kcal를 소모할 때 도 4a의 수직형에 비하여 80도 경사진 방열기는 약 5kcal(=130kcal ×3.8%), 40도 경사진 방열기는 약 11kcal(=130kcal ×8.3%)의 발열량이 증가됨을 보여 준다.

도 5는 도 1에 도시된 방열기 블록(R)을 상호 연결하여 온실에 설치한 상태를 나타낸 것으로, 상기 실험예에서 확인한 바와 같이 도 3a에 도시된 종래 수직형 방열기에 비하여 열교환 효율이 보다 뛰어날 것이고, 결국 열효율이 보다 뛰어날 것이다. 도 5에서 참조부호 P는 식물을 나타낸다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안에 따른 방열기는 열원에 의하여 가열되는 작동매체 충진관과 연통된 방열관이 작동매체 충진관과 예각을 이루면서 연결되어 있는 경사형 방열기이므로 종래 수직형 방열기에 비하여 방열핀에서의 열교환이 보다 원활하게 이루어지므로 열교환 효율이 뛰어나다.

또 상호 연결된 방열관의 구조와, 나선형 방열핀의 구조를 통하여 열교환 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명한 본 고안의 경사형 방열기의 여러 특징들은 당업자에 의하여 다양하게 변형되고 조합되어 실시될 수 있으나, 이러한 변형 및 조합이 방열관이 작동매체 충진관과 예각을 이루고 있는 경사형 방열기와 관련이 있을 경우 본 고안의 보호 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

1. 열원;

   상기 열원에 의하여 가열되는 작동매체 충진관;

   상기 작동매체 충진관과 이루는 각도가 예각이 되도록 연통되어 있는 하나 이상의 방열관; 및

   상기 방열관 외주면에 돌설되어 있는 다수의 방열핀을 포함하여 이루어진 히트파이프를 이용한 경사형 방열기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 방열핀은 나선형 방열핀인 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 경사형 방열기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   경사진 상기 방열관은 상단에서 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 경사형 방열기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 방열관은 두 개가 쌍을 이루어 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 경사형 방열기.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 열원은 열매체 유동관을 흐르는 열매체이고, 상기 열매체 유동관은 상기 작동매체 충진관에 내포되어 있는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 경사형 방열기.