KR20090037091A - 다공성 전열교환기 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다공성 전열교환기 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 유입되는 실외공기와 배출되는 실내공기 상호 간에 열과 수분이 교환되도록 하는 전열교환기 소자에 있어서, 합성수지나 무기계열 소재로 이루어지고 내부에 수많은 기공이 형성된 다공성 소재로 이루어지며, 일측에서 반대측으로 실내공기가 통과하도록 다수개의 배기통로가 일정한 간격으로 관통 형성되고, 타측에서 반대측으로 실외공기가 통과하도록 다수개의 급기통로가 상기 배기통로와 인접, 교차하면서 일정간격으로 관통 형성되는 구조로 이루어지되, 상기 배기통로와 급기통로가 교대로 반복형성되어 상기 배기통로와 급기통로를 흐르는 공기 간에 열과 수분이 교환되는 것을 특징으로 하며, 상기 다공성 전열교환기 소자를 제조하는 방법은 분쇄과정, 배합과정, 성형과정, 소결과정, 냉각과정 및 함침과정을 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하며, 이에 의하여 내구성과 기밀성이 뛰어나며 열과 수분의 교환 효과가 좋다.

전열교환기, 소자, 다공성, 합성수지, 무기, 성형, 금형, 항균제, 열전달물질, 기공, 소결, 냉각, 함침

Description

다공성 전열교환기 소자 및 이의 제조방법 {Porous Heat Exchanger Element and Production Method of Porous Heat Exchanger Element}

본 발명은 다공성 전열교환기 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실외공기와 실내공기 상호 간에 열과 수분의 교환에 의해 버려지는 폐열을 재사용하는 전열교환기 소자 및 상기 전열교환기 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래 건물의 환기 시스템에 주로 사용되는 열교환기는 실내외 환기시 열교환기 소자를 통해 밖으로 배출되는 실내 공기의 버려지는 폐열을 이용하여 내부로 공급되는 실외 공기와 열교환이 이루어지게 하는 장치이다.

일반적으로 열교환기는 현열교환기와 전열교환기로 구분할 수 있는데 현열교환기는 수분의 교환 없이 열만 교환되도록 하는 장치이며, 전열교환기는 열과 수분 모두 교환되는 장치로서 버려지는 실내 공기의 온도와 습도를 활용하는 것이다.

전열교환기 내에는 실내로 흡입되는 실외공기가 통과하는 유로와 실외로 배출되는 실내공기 통과하는 유로가 서로 직각을 이루며 교대로 적층되어 서로 혼합되지 않고 교차하면서 열과 수분이 교환되도록 하는 전열교환기 소자(Element)가 마련되어 있다.

도 1는 종래 전열교환기 소자의 구조를 나타내는 사시도이다.

도시된 바를 참조하여 공지된 기존의 전열교환기 소자를 간단히 설명하자면, 종이, 천, 합성수지 등을 박막형태의 시트(4)로 만들고 상기 시트에 활성탄, 무기흡착제, 흡수제, 향균제 등과 같은 기능성 소재를 침착시킨 후 상기 시트를 여러 번 절곡한 상태로 만든 후 상기 절곡된 시트(4)를 직각으로 교차하도록 적층하여 블록형태(5)로 만든다. 이때 각 시트 간에는 수많은 접착점(6)이 존재하게 되는데 이 접착부분은 접착제로 결합하게 된다.

그러나 상기와 같은 전열교환기는 시트의 절곡된 부분이 접착된 곳에는 시간이 경과함에 따라 접착점(6)이 떨어져 기밀성이 떨어진다. 즉 서로 교차하는 유로 사이에 공기가 누설되는 문제가 발생하여 열교환성이 떨어진다.

또한, 상기 시트는 공기유로 내에 발생하는 반복되는 공기의 흐름과 수분에 노출되므로 상기 시트에 침착된 기능성 소재가 상기 기류를 타고 빠져나가거나 높은 습도에 의해 상기 시트가 함몰되는 현상이 발생하기도 한다.

또 종이 시트형이 아니라 합성수지 시트형의 전열교환기의 경우 합성수지를 멜팅한 후 압출기를 통하여 시트 형태로 만들다 보니 기능성 소재가 합성수지와 함께 고온에서 표면코팅 현상이 생겨 다양한 부가기능이 반감되고 열교환 효율과 투습성능이 낮아진다. 그리고 절곡 후 접착제로 접착하여 블록을 형성할 때 종이보다 접착이 어렵다는 단점도 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 내부에 수많은 기공이 형성된 다공성 소재를 이용하여 일체로 형성된 다공성 전열교환기 소자를 제공하고, 시트를 자르고 절곡, 접착하는 공정 없이 비교적 용이하게 다공성 전열교환기 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유입되는 실외공기와 배출되는 실내공기 상호 간에 열과 수분이 교환되도록 하는 전열교환기 소자에 있어서, 합성수지나 무기계열 소재로 이루어지고 내부에 수많은 기공이 형성된 다공성 소재로 이루어지며, 일측에서 반대측으로 실내공기가 통과하도록 다수개의 배기통로가 일정한 간격으로 관통 형성되고, 타측에서 반대측으로 실외공기가 통과하도록 다수개의 급기통로가 상기 배기통로와 인접, 교차하면서 일정간격으로 관통 형성되는 구조로 이루어지되, 상기 배기통로와 급기통로가 교대로 반복형성되어 상기 배기통로와 급기통로를 흐르는 공기 간에 열과 수분이 교환되는 것을 특징으로 한다.

또한 전열교환기 소자를 제조하는 방법에 있어서, 합성수지계열 혹은 무기계열의 원소재를 0.1㎛ ~ 200㎛ 크기의 일정한 입자로 분쇄하는 분쇄과정과; 상기 분쇄된 원소재에 열을 전달하는 열전달물질, 항균작용을 하는 항균제, 또는 냄새를 흡수하는 탈취제와 같은 기능성 소재를 배합하는 배합과정과; 상기 배합된 원소재와 기능성 소재를 금형에 충진 및 압축성형하여 전열교환기 소자를 성형하는 성형 과정과; 상기 성형된 전열교환기 소자를 일정한 소결온도에서 가열하되, 상기 전열교환기 소자 내의 입자가 형태를 유지하면서 서로 접착되고 기공이 형성되도록 하는 소결과정과; 상기 소결된 전열교환기 소자를 상기 금형 내에서 냉각하고 상기 금형에서 분리하는 냉각과정과; 상기 냉각된 전열교환기 소자를 수분이 통과하도록 상기 전열교환기 소자를 친수성 물질에 함침하고 건조하는 함침과정;을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 배합과정의 열전달물질은 탄소, 흑연, 질화붕소, 질화규소, 실리카, 산화아연, 산화마그네슘, 카본 나노튜브, 은, 구리 또는 알루미늄의 분말인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 소결과정의 소결온도는 상기 원소재가 합성수지계열인 경우 100℃ ~ 400℃ 이고, 무기계열인 경우 450℃ ~ 1200℃ 인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 소결과정은 상기 소결온도의 1/2 되는 온도에서 가열하여 상기 전열교환기 소자 내의 불순물이나 휘발성 물질을 제거하는 소결전처리 과정이 선행되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 함침과정의 친수성 물질은 친수성기를 가지는 계면활성제류, 폴리아크릴산계류 또는 이산화티타늄액인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 전열교환기 소자에 있어서, 합성수지나 무기계열 소재로 이루어진 일체의 다공성 소재로 이루어지며, 일측에서 반대측으로 실내공기가 배출되는 다수개의 배기통로가 일정한 간격으로 관통 형성되고, 타측에서 반대측으로 상 기 배기통로와 인접, 교차하면서 실외공기가 유입되는 다수개의 급기통로가 일정간격으로 관통 형성되되, 상기 배기통로와 급기통로가 교대로 반복형성되어 상기 배기통로와 급기통로간에 열과 수분이 교환되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 다공성 전열교환기 소자는 합성수지나 무기계열의 소재를 일정한 크기의 입자로 분쇄하고, 분쇄된 상기 소재에 상기 열전달물질, 향균제, 탈취제와 같은 기능성 소재를 배합하고, 상기 배합된 소재를 금형에 충진하여 압축성형하고, 일정한 소결온도로 가열한 후 냉각시켜 친수성 물질에 함침시킴으로써 내부에 미세한 다수개의 기공이 형성된 일체의 다공성 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성의 본 발명은 금형에 의해 일체로 형성된 다공성 소재로 이루어져 있으므로 제조공정이 비교적 간단하며, 내구성이 크고 기밀성이 보장되며 다공성 소재 내에 포함된 기능성 소재의 기능이 장기간 유지되어 열전달성, 항균성, 탈취성, 특히 투습성이 뛰어나다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다공성 전열교환기 소자를 나타내는 사시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명인 다공성 전열교환기 소자(10)는 그 형상과 소재 에 특징이 있다.

기존에는 일방향의 공기유로가 다수개 형성된 일층의 소재들을 교차로 반복 적층하여 블럭형상의 전열교환기 소자를 만들었지만, 본 발명에서는 적층하는 일련의 과정없이 일체로 성형되어 제조되기 때문에 상술한 종래 전열교환기 소자의 문제점들인 내구성과 기밀성에 있어서 취약한 단점이 일시에 해결된다.

본 발명의 형상에 대해 자세히 설명하자면, 직육면체의 일측면에서 반대측면까지 외부로 배출되는 실내공기(A)가 통과하도록 공기유로 기능을 하는 다수개의 배기통로(12)가 가로로 일정한 간격을 두고 관통하여 형성되어 있다.

그리고 타측면에서 반대측면까지 상기 배기통로(12)와 인접하게 교차하면서 외부에서 유입되는 실외공기(B)가 통과하도록 공기유로 기능을 하는 다수개의 급기통로(14)가 역시 가로로 일정간격을 두고 관통하여 형성된다.

이때 상기 배기통로(12)와 급기통로(14)가 상하 교대로 반복형성된 형상을 가지므로 상기 배기통로(12)를 흐르는 실내공기(A)와 급기통로(14)를 흐르는 실외공기(B) 간에 열과 수분이 교환되도록 하는 구조이다.

상기 배기통로(12)와 급기통로(14)의 형상은 제한이 없으나 서로 열전달과 수분전달이 쉽게 일어나야 하므로 서로 만나는 면적이 큰 것이 바람직하다.

상기 배기통로(12)와 급기통로(14)는 직사각형 단면의 통로뿐 아니라 삼각형이나 원형의 단면을 가지는 것도 바람직하다.

상기 다공성 전열교환기 소자(10)는 다공성 소재로 이루어진다.

상기 다공성 소재는 소재 내부에 수많은 기공이 형성된 소재로서 일반적으로 합성수지나 무기계열의 소재로 제조될 수 있으며 내부에 수많은 기공이 형성되어져 있다.

상기 다공성 소재는 자체적으로 열전도성이 있고 상기 기공을 통해 수분이 전달된다.

바람직한 것은 상기 다공성 소재 내에 열전달물질이나 친수성 물질과 같은 다양한 기능성 소재를 첨가하여 열전달과 수분 전달이 더 잘 이루어지도록 할 수 있다.

여기서, 상기 다공성 소재 내의 수많은 기공을 통해 공기는 잘 통과하지 못하는데, 이것은 공기는 일부 통과하다가 상쇄되기 때문에 상기 다공성 소재를 통과하지 못한다.

그러나 수분은 기공 내에 존재하는 친수성 물질 들을 타고 전달된다. 다시 말해, 물의 표면장력으로 인한 부착력이 크기 때문에 상기 기공의 좁은 틈을 타고 전달되는 것이다.

다음으로 상기 다공성 전열교환기 소자(10)의 제조방법에 대해 자세히 설명하고자 한다.

도 3은 도 2에 도시된 다공성 전열교환기 소자를 성형하는 금형을 나타내는 사시도, 도 4는 다공성 소재의 전자현미경 사진이다.

상기 제조방법은 분쇄과정, 배합과정, 성형과정, 소결과정, 냉각과정, 함침과정의 6개 과정을 거친다.

첫 번째 분쇄과정은 합성수지계열 또는 무기계열의 원소재(m)를 분쇄기를 이 용하여 분쇄하는 과정이다.

원소재(m)로 사용되는 합성수지계열은 다양하다. 일반적으로 널리 쓰이는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 불소수지, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리에테르 술폰, 폴리염화비닐(PVC) 등이 사용될 수 있으며 무기계열은 탄소, 질화붕소(BN), 질화규소(Si₃N₄), 질화알루미늄(AlN), 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂), 산화아연(ZnO), 산화마그네슘, 카본나노튜브 등이 사용될 수 있다.

상기와 같은 원소재(m)는 일반적인 볼밀(Ball Mill)에 의한 기계분쇄나 혹은 냉동분쇄 방법에 의해 분쇄되며 압출공정을 통해 만들어진 펠릿(Pellet) 상의 입자도 사용 가능하다. 상기 분쇄된 입자는 스크린에 의해 분급하여 사용한다.

바람직하게는 상기 입자의 크기는 0.1㎛ ~ 200㎛ 범위가 되는 것이 적당하며 입자의 크기에 따라 기공의 크기가 달라지므로 열교환성이나 열전도성, 강도, 투습성 등이 달라진다. 따라서 입자의 크기를 선택하여 공정을 진행할 수 있다.

두 번째 과정은 배합하는 과정으로서, 상기의 합성수지계열이나 무기계열의 원소재(m)에 열전도성이 높은 열전달물질, 항균작용을 하는 항균제, 냄새를 흡수하는 탈취제와 같은 기능성 소재(f)를 첨가하여 함께 배합한다.

상기 합성수지계열과 달리 상기 무기계열의 원소재(m)는 각각 자체적으로 수분 흡수성이나 열전도성이 있지만 일정하지 않으므로 상기 무기계열 원소재(m)에도 기능성 소재(f)를 배합하여 열전도, 항균, 탈취기능을 높인다.

상기 열전도물질로는 탄소, 흑연, 질화붕소, 질화규소, 실리카, 산화아연, 산화마그네슘, 카본나노튜브, 은, 동, 알루미늄 등이 사용되며 각 물질에 따라 배합비율이 다른데 10% ~ 70%의 범위에서 배합하는 것이 바람직하다.

또 장기간 외부와 노출되고 수분, 온도 등의 환경변화가 수반되므로 세균이나 곰팡이의 발생을 방지하는 항균제를 첨가할 수 있고 실내외의 각종 악취를 흡수하여 깨끗한 공기가 공급되도록 탈취제도 첨가한다.

상기 기능성 소재(f)는 일반적으로 사용되는 배합기에 의해 기계적으로 배합될 수 있다.

세 번째 과정은 상기 배합된 입자들을 금형에 충진하고 압축성형하는 과정이다. 상기 금형의 경우 도 2에 도시된 직육면체 형상이 성형되어 나오는 금형 틀이 구성되는 것이 바람직하다.

다시 말해, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 배기통로(12)와 급기통로(14)를 형성하도록 직사각형 단면의 기둥이 일정한 간격을 가지고 배열되고 다시 일정한 간격을 두고 동일한 직사각형 단면의 기둥이 직각으로 교차 배열되되, 상기와 같이 반복적인 순서로 적층된 형상의 금형이 바람직하다. 물론 상기 직사각형 단면의 기둥은 도 3(b)에 도시된 바와 같이 삼각형 단면을 가지는 기둥이 배열된 형상을 가질 수도 있다.

상기 금형에 충진된 입자를 가압하게 되면 각 입자들이 더욱 밀착하면서 조밀해지므로 균일한 기공을 형성하게 된다.

그리고 도 6에 도시된 바와 같이 더불어 상기 기능성 소재(f)들도 상기 원소재(m)의 입자 주위에 부착되어 그 기능을 발휘하게 된다.

네 번째로 상기 금형 틀 속에 압축 성형된 입자들은 소결온도에서 가열되는 소결과정을 거친다.

이때 상기 소결온도는 상기 원소재(m)와 기능성 소재(f)가 완전히 용융되어 섞이지 않고 그 입자의 형태를 유지하면서 서로 점착될 수 있는 정도의 온도가 바람직하다. 이렇게 함으로써 다수개의 기공이 형성될 수 있고 더불어 기능성 소재(f)도 부착된 채 그 기능을 발휘할 수 있으며 이후에 설명할 우수한 친수성질도 가지게 된다.

그래서 상기 소결온도는 합성수지계열의 경우에는 100℃ ~ 400℃ 이고, 무기계열인 경우 450℃ ~ 1200℃ 정도로 가열하는데 이 소결온도는 각 입자의 종류와 크기에 따라 달라지게 된다.

참고적으로 상기 소결과정 전에 소결전처리 과정에 선 수행 될 수 있다.

왜냐하면, 상기 소결온도의 절반 정도의 온도에서 가열하게 되면 상기 입자들 내에 포함된 불순물이나 휘발성 물질들이 제거될 수 있는데, 이것을 통해 본래의 소결과정에서 상기 불순물이나 휘발성 물질에 의해 불규칙한 기공이 발생할 위험을 사전에 제거한다.

다섯 번째의 과정은 상기 소결된 입자들로 이루어진 다공성 전열교환기 소자(10)를 금형 내에 그대로 둔 채 냉각하고 금형에서 분리하는 과정이다.

그런데 소결과정을 거친 상기 다공성 전열교환기 소자(10)는 일반 상온에서 그대로 냉각하면 급랭되어 균열(crack)이 발생하거나 형태가 변화될 수 있으므로 천천히 냉각한다.

여섯 번째 과정은 상기 냉각된 다공성 전열교환기 소자(10)를 친수성 물질에 함침하고 건조하는 과정으로, 상기 다공성 전열교환기 소자(10)는 충분한 투습기능을 가져야 하므로 상기와 같이 친수성 물질에 담근다.

상기 친수성 물질은 계면활성제류, 폴리아크릴계류, 이산화티타늄액 등을 사용할 수 있는데 이렇게 함으로써 상기 원소재(m) 입자에 상기 친수성 물질이 부착되어 상기 입자들 간에 형성된 기공들을 통해 수분이 전달된다.

좀더 자세히 설명하자면, 상기 기공들은 미세하고 친수성 물질이 부착되어 있으므로 수분이 잘 부착될 뿐만 아니라 좁은 틈과 같은 역할을 하기 때문에 표면장력이 커져 수분이 타고 흘러 잘 통과된다. 이때 수분은 잘 전달되나 공기는 고압으로 분사되지 않는 이상 서로 이동하지 않게 된다.

이러한 원리로 상기 다공성 전열교환기 소자(10)의 일측으로 흐르는 실내공기(A)와 타측으로 흐르는 실외공기(B) 간에 열과 수분만 전달되어 전열교환이 원활히 발생한다.

이상과 같은 본 발명의 다공성 전열교환기 소자(10)는 차량의 공조시스템에 응용되어 차량의 에너지 효율에 뛰어난 효과를 제공할 수 있다.

차량 실내공기가 배출되는 곳과 외부의 실외공기가 들어오는 교차지점에 상기 다공성 전열교환기를 설치하여 실내공기와 실외공기 상호 간에 열과 수분의 교환을 유도함으로써 실내공기의 버려지는 열과 수분을 재사용할 수 있다.

본 발명은 다공성 소재가 일체로 형성된 다공성 전열교환기 및 이의 제조방법을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있으며, 당업자의 용이한 변형 이나 응용은 본 발명의 기술적 사상에 포함됨은 물론이다.

도 1은 종래 전열교환기 소자를 나타내는 사시도.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다공성 전열교환기 소자를 나타내는 사시도.

도 3은 도 2에 도시된 다공성 전열교환기 소자를 성형하는 금형을 나타내는 사시도.

도 4는 다공성 소재의 전자현미경 사진.

<< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >>

10 : 다공성 전열교환기 소자 12 : 배기통로

14 : 급기통로 A : 실내공기

B : 실외공기 m : 원소재

f : 기능성 소재

Claims (6)

1. 유입되는 실외공기와 배출되는 실내공기 상호 간에 열과 수분이 교환되도록 하는 전열교환기 소자에 있어서,

   합성수지나 무기계열 소재로 이루어지고 내부에 수많은 기공이 형성된 다공성 소재로 이루어지며, 일측에서 반대측으로 실내공기(A)가 통과하도록 다수개의 배기통로(12)가 일정한 간격으로 관통 형성되고, 타측에서 반대측으로 실외공기(B)가 통과하도록 다수개의 급기통로(14)가 상기 배기통로(12)와 인접, 교차하면서 일정간격으로 관통 형성되는 구조로 이루어지되,

   상기 배기통로(12)와 급기통로(14)가 교대로 반복형성되어 상기 배기통로(12)와 급기통로(14)를 흐르는 공기 간에 열과 수분이 교환되는 것을 특징으로 하는 다공성 전열교환기 소자.
2. 전열교환기 소자를 제조하는 방법에 있어서,

   합성수지계열 혹은 무기계열의 원소재를 0.1㎛ ~ 200㎛ 크기의 일정한 입자로 분쇄하는 분쇄과정과;

   상기 분쇄된 원소재에 열을 전달하는 열전달물질, 항균작용을 하는 항균제, 또는 냄새를 흡수하는 탈취제와 같은 기능성 소재를 배합하는 배합과정과;

   상기 배합된 원소재와 기능성 소재를 금형에 충진 및 압축성형하여 전열교환기 소자를 성형하는 성형과정과;

   상기 성형된 전열교환기 소자를 일정한 소결온도에서 가열하되, 상기 전열교환기 소자 내의 입자가 형태를 유지하면서 서로 접착되고 기공이 형성되도록 하는 소결과정과;

   상기 소결된 전열교환기 소자를 상기 금형 내에서 냉각하고 상기 금형에서 분리하는 냉각과정과;

   상기 냉각된 전열교환기 소자를 수분이 통과하도록 상기 전열교환기 소자를 친수성 물질에 함침하고 건조하는 함침과정;을 특징으로 하는 다공성 전열교환기 소자의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 배합과정의 열전달물질은,

   탄소, 흑연, 질화붕소, 질화규소, 실리카, 산화아연, 산화마그네슘, 카본 나노튜브, 은, 구리 또는 알루미늄의 분말인 것을 특징으로 하는 다공성 전열교환기 소자의 제조방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 소결과정의 소결온도는,

   상기 원소재가 합성수지계열인 경우 100℃ ~ 400℃ 이고, 무기계열인 경우 450℃ ~ 1200℃ 인 것을 특징으로 하는 다공성 전열교환기 소자의 제조방법.
5. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 소결과정은,

   상기 소결온도의 1/2 되는 온도에서 가열하여 상기 전열교환기 소자 내의 불순물이나 휘발성 물질을 제거하는 소결전처리 과정이 선행되는 것을 특징으로 하는 다공성 전열교환기 소자의 제조방법.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 함침과정의 친수성 물질은,

   친수성기를 가지는 계면활성제류, 폴리아크릴산계류 또는 이산화티타늄액인 것을 특징으로 하는 다공성 전열교환기 소자의 제조방법.

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