KR20100056893A - 탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기 및 이를 이용한 온풍기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기 및 이를 이용한 온풍기에 관한 것으로서, 인가된 전기에너지를 열에너지로 변환하는 탄소섬유 발열체; 상기 탄소섬유 발열체를 내장하고 발열체에서 발열된 열을 수용 및 방열하는 증발관; 상기 증발관 내에 일정량으로 함입되어 가해진 열로 휘발되어 증발하는 증발액; 상기 방열관과 연통 결합되고 증발액이 순환하는 복수의 히트파이프; 상기 히트파이프의 외부 표면에 고정 설치되어 히트파이프의 열을 외부로 방열하는 복수의 방열핀을 포함하여 탄소섬유 발열체를 이용한 간단한 구조의 열교환기로, 낮은 전력을 사용하여 고효율의 난방열을 발생하므로 전력소비를 절감하고, 일정한 난방열을 공급할 수 있으며, 이러한 열교환기가 적용된 온풍기이다.

탄소섬유, 발열체, 온풍기, 열교환기, 방열관, 방열핀, 증발관

Description

탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기 및 이를 이용한 온풍기{Heat Exchanger using Carbon Fiber Heating Element and Hot Blast Heater using thereof}

본 발명은 금속의 탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기 및 이를 이용한 온풍기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저전력 고효율의 탄소섬유 발열체를 이용하여 고온의 열을 발생시키는 열교환기와 이 열교환기가 적용된 온풍기에 관한 것이다.

일반적으로 일정 공간의 난방을 위하여 각종의 연료를 태우거나 전기를 이용하거나 또는 각종 재생에너지를 이용하여 발생된 열을 이용한다. 연료를 연소시키는 경우에는 직접 연소열을 복사하거나 물을 가열하여 가열된 물이 순환되도록 하는 등 난방설비를 이용하지만, 난방설비의 열효율이 떨어질 뿐만 아니라 난방설비의 설치를 위한 공간 확보가 불리하고, 연료의 연소 때에 각종 유해물이 발생되는 등의 문제점이 있었다.

그리고 전기를 이용하여 열을 발생시키기 위하여 저항이 큰 물질을 써서 전 기에너지를 열에너지로 바꾸는 저항 발열체가 이용된다. 저항 발열체는 금속 발열체와 비금속 발열체로 나누는데, 금속 발열체는 비저항이 비교적 크고 내열성이 높은 합금과 순금속인 텅스텐, 탄탈, 몰리브덴 등이 사용되며, 비금속 발열체는 흑연, 탄화규소, 규화몰리브덴 등이 사용된다. 금속 발열체는 간접식 전기 저항로의 발열체에 쓰는 금속으로 니크롬선, 칸탈선, 철선, 니켈선 등의 전열선으로 사용된다. 그러나 금속 발열체는 발열을 위하여 전기에너지의 소모가 많은 단점이 있다.

더욱이 난방을 위하여 금속 발열체를 이용하는 열교환기가 적용된 온풍기의 경우에는 발열된 금속 발열체에 일정 세기의 바람을 가하여 발열체를 통과하면서 데워진 공기가 외부로 송풍되도록 한다. 그러나 금속 발열체가 일정 온도에 도달한 후에 지속적인 송풍으로 인하여 금속 발열체는 목표로 하는 온도로 방열하지 못하여 열효율의 저하되는 등 온풍기의 기능을 제대로 수행하지 못하는 문제가 있었다. 또한, 금속 발열체에 인가되는 전기에너지는 수 내지 수십 Kw이상이 되어 전력소모가 많은 문제도 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 탄소섬유 발열체가 적용된 열교환기를 이용하여 고효율 및 비교적 낮은 전력으로 발열 및 난방이 이루어지도록 하기 위한 것이 목적이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 인가된 전기에너지를 열에너지로 변환하는 탄소섬유 발열체; 상기 탄소섬유 발열체를 내장하고 발열체에서 발열된 열을 수용 및 방열하는 증발관; 상기 증발관 내에 일정량으로 함입되어 가해진 열로 휘발되어 증발하는 증발액; 상기 방열관과 연통 결합되고 증발액이 순환하는 복수의 히트파이프; 상기 히트파이프의 외부 표면에 고정 설치되어 히트파이프의 열을 외부로 방열하는 복수의 방열핀을 포함하여 이루어진 탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기를 제공한 것이 특징이다.

또한, 본 발명은 인가된 전기에너지를 열에너지로 변환하는 탄소섬유 발열체; 상기 탄소섬유 발열체를 내장하는 전열관; 상기 전열관을 내장하고 전열관에서 발열된 열을 수용 및 방열하는 방열관; 상기 방열관의 외부 표면에 고정 설치되어 방열관의 열을 외부로 방열하는 방열핀을 포함하여 이루어진 탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기를 제공한 것이 특징이다.

또한, 본 발명은 상기 열교환기가 하나 이상 선택적으로 적용된 온풍기를 제공한 것이 다른 특징이다.

본 발명은 상기 해결수단에 의하여, 탄소섬유 발열체를 이용한 간단한 구조의 열교환기로서, 낮은 전력을 사용하여 고효율의 난방열을 발생하므로 전력소비를 절감하고, 일정한 난방열을 공급할 수 있으며, 이러한 열교환기가 적용된 온풍기의 제공한 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기에 관하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 제1실시예로서, 탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기를 나타낸 사시도이고, 도 2는 정면도이며, 도 3은 도 2의 A-A'선 단면도이다.

먼저, 본 발명은 탄소섬유 발열체를 이용하여 낮은 전력에서도 고효율의 발열 및 방열이 가능한 열교환기를 제공한 것이다.

더욱이 본 발명의 탄소섬유 발열체(12)는 인가된 전기에너지를 열에너지로 변환하는 것으로, 탄소섬유 발열체(12) 양단에는 양극 및 음극의 전극이 각각 연결되고, 전극에는 전원단자(13)를 통해서 외부로부터 전기에너지가 인가된다. 탄소섬유(carbon fiber)는 유기섬유를 불활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유로서, 셀룰로오스, 아크릴 섬유, 비닐론, 피치(pitch) 등의 원료를 사용하여 탄소의 육각 고리가 연이어 층상격자를 형성한 구조이며 금속광택이 있고 흑색이나 회색을 띤다. 탄소섬유는 강도, 비중, 내열성, 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하고 해충에 대한 저항성이 크다. 가열과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져 나가 중량이 감소되므로 알루미늄보다 가볍고 반면에 철에 비해 탄성과 강도가 뛰어나다. 이런 특성으로 인해 다양한 분야의 고성능 산업용 소재로 널리 쓰이고 있다. 이와 같은 탄소섬유를 이용하여 고온의 열을 발열하는 탄소섬유 발열체로 적 용되고 있다. 탄소섬유 발열체는 내고온성 및 내고열성과 긴 사용수명 및 안정성 등의 장점이 있다.

또한, 탄소섬유 발열체(12)는 열효율 높아 통상의 금속 발열체보다는 최소 30%이상의 에너지를 절감할 수 있고, 일정 온도까지 상승하는 속도가 빠르며, 열의 정체가 작고, 발열이 균등하며, 복사열의 전달이 빠른 특징이 있다. 더욱이 탄소섬유 발열체는 금속 발열체보다 작고 전열 전환율이 대략 95%이상이다.

증발관(10)은 탄소섬유 발열체(12)를 내장하고 발열체에서 발열된 열을 수용 및 방열하는 것으로, 증발관(10)은 원통형 또는 다각형의 실린더 모양이다. 증발관(10)에는 증발액(14)이 함입되어 있다. 증발액(14)은 증발관(10) 내에 일정량으로 함입되어 탄소섬유 발열체(12)에서 발생된 열로 휘발되어 증발하는 것으로, 물 또는 아세톤 등의 액체가 기화하여 고온의 증기상태가 되는 것이다.

히트파이프(16)는 증발관(10)과 연통 결합되고 증발액(12)이 순환하는 것으로, 증발관(10)의 측면에서 직각방향으로 복수개가 결합된 것이다. 히트파이프(16)는 증발관(10)에서 기화하여 증발한 증발액(12)이 순환되면서 열교환이 이루어지는 것으로, 히트파이프(16)의 양단이 증발관(10)에 용접 등으로 연통 결합되어 밀폐된 것이다. 더욱이 히트파이프(16)의 내측면에는 방열이 용이하게 이루질 수 있도록 하는 도장 처리가 되어 있다.

방열핀(18)은 히트파이프(16)의 외부 표면에 고정 설치되어 히트파이프(16)의 열을 외부로 방열하는 것으로, 방열핀(18)은 외부의 공기와 접촉되면서 빠른 열교환이 이루어지도록 하기 위하여 보다 넓은 면적을 갖거나 조밀한 배치가 이루어 지도록 한다. 방열핀(18)은 히트파이프(16)로 전달된 열이 외부 공기 중으로 방열될 수 있도록 하는 재질 및 두께를 갖는 것으로 복수의 히트파이프(16)가 관통되는 직각방향으로 배치된다. 그리고 복수의 배치된 방열핀(18)의 상부와 하부에 플레이트(20, 21)가 장착되어 상하방향으로부터 방열핀(18)의 이탈을 방지함과 동시에 방열핀(18)이 망실되지 않도록 보호하는 것이다.

이와 같이 이루어진 열교환기(1)를 온풍기(100)에 적용한 도 8을 참조하면, 온풍기(100)는 직육면체 형상으로 전면 하부에는 공기를 흡입하는 흡입구(102)가 구성되고, 흡입구(102)에는 흡입되는 공기 중의 이물질을 걸러내는 필터(103)가 장착되어 있다. 그리고 온풍기(100) 내측에는 외부의 공기를 흡입하여 송풍하는 송풍팬(104)이 구성된다. 온풍기(100) 상부 내측에는 열교환기(1)가 수직 또는 일정한 기울기로 고정 설치된다. 온풍기(100)의 상부 전면에는 배출구(106)가 구성되고, 배출구(106)에는 배출되는 바람의 방향 조절을 위한 복수의 셔터(107)가 구비되어 있다. 그리고 온풍기(100)에는 송풍팬(104)의 작동과 열교환기(1)의 작동, 그리고 온도조절이나 풍향 및 풍량 등의 조절을 위한 제어용 기판이 내장된 제어부(108)가 구성되어 있고, 제어부(108)가 구성된 온풍기(100)의 표면에는 작동상태를 나타내는 표시부 및 작동을 위한 스위치 등이 구비된다.

따라서 온풍기(100)의 구동을 위한 전원을 입력하고 조건 등을 설정하면, 열교환기(1)의 탄소섬유 발열체(12)로 전원이 인가되고, 탄소섬유 발열체(12)는 인가된 전원으로 단시간에 고온으로 상승된다. 실험에 의한 탄소섬유 발열체(12)는 500W에서 1분 이내에 대략 800℃까지 상승하고, 증발관(10)은 450℃까지 상승하였 다. 이때, 탄소섬유 발열체(12)에서 발생된 열은 증발관(10) 내의 증발액(14)을 가열 및 기화시켜 히트파이프(16)로 증발시키고, 히트파이프(16)는 고온의 증기를 방열핀(18)을 통해 외부로 전달시킨다. 따라서 송풍팬(104)이 구동하여 흡입구(102)로부터 외부의 공기를 흡입한 후에 열교환기(1)로 송풍하면 열교환기(1)의 방열핀(18)으로 전달된 열은 배출구(106)를 거쳐 외부로 방출되어 실내의 공기를 데우게 된다.

그러므로 본 발명의 열교환기가 적용된 온풍기는 단시간에 상승한 일정 온도 이상의 열을 지속적으로 외부로 방출하게 되고, 탄소섬유 발열체(12)의 특성에 의하여 낮은 전력에서도 일정한 온도의 발열이 이루어지는 것이다.

한편, 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환기(1a)로서 도 4의 사시도, 도 5의 정면도 및 도 6의 도 5에 대한 B-B'선 단면도를 참조하면, 인가된 전기에너지를 열에너지로 변환하는 탄소섬유 발열체(32)가 전열관(34) 내에 장착되어 있다. 전열관(34)은 유리관으로 탄소섬유 발열체(32)가 내장되어 있다. 전열관(34)은 탄소섬유 발열체(32)의 보호와 더불어 탄소섬유 발열체(32)에서 발생된 열이 고르게 방사될 수 있도록 하는 것이다. 전열관(34)은 석영유리와 같이 투명하면서 고온에 강한 재질이 적용되는 것이 바람직하다.

그리고 전열관(34)은 방열관(30) 내에 내장되어 있다. 방열관(30)은 전열관(34)을 내장하고 전열관(34)에서 발열된 열을 수용하고 방열하는 것이다. 방열관(30)의 양측에는 전열관(34)의 양단이 고정되고, 탄소섬유 발열체(32)에 전원이 인가될 수 있도록 전극이 형성된다. 방열관(30)의 외부 표면에는 방열핀(36)이 고 정 설치되어 방열관(30)으로 전달된 열을 외부로 방열한다. 방열핀(36)은 방열관(30)의 외주연에 스크루(screw)와 같은 모양으로 접합된다. 즉 방열핀(36)은 일정한 피치로 방열관(30)의 외주에 용접 등으로 접합되어 방열관(30)에서 전달된 열을 외부의 공기 중으로 방열시키는 것이다.

이와 같이 제2실시예에서, 탄소섬유 발열체(32)가 내장된 전열관(34)이 외주연에 방열핀(36)이 구비된 방열관(30)에 고정 설치되고, 방열관(30)은 일정한 간격으로 복수로 배열되고, 각 방열관(30)의 양단에는 브래킷 등의 고정부재(38, 39)로 고정함으로써 열교환기(1a)가 구성된다. 고정부재(38, 39)는 복수의 방열관(30)을 고정함과 동시에 탄소섬유 발열체(32)로 전원을 공급하거나 별도의 전선이 배선될 것이다.

더욱이 도 7은 제2실시예의 다른 변형예로서, 복수로 배열된 방열관(30)에 복수의 방열핀(37)이 관통 고정된 구조이다. 즉 방열핀(37)은 제1실시예의 방열핀(18)과 동일한 직육면체의 형상으로 구성되고, 복수로 배열된 방열관(30)의 외주면에 상하방향에 일정 간격으로 접합되어 있다.

본 발명의 제2실시예는 제1실시예에 의한 도 8의 온풍기에 장착된 열교환기에 대체할 수 있는 것이다. 즉 탄소섬유 발열체(32)에 인가된 전원으로 전열관(34)에 내장된 탄소섬유 발열체(32)가 발열되면, 전열관(34)을 통과하여 방사된 열은 방열관(30)으로 전달되고, 방열관(30)으로 전달된 열은 방열핀(36)에서 공기 중으로 방사된다. 이렇게 방열핀(36)에서 방사된 열은 송풍팬(104)의 송풍에 의하여 배출구(106)를 통해 실내로 배출되어 실내 공기를 데우게 된다.

또한, 제1실시예의 열교환기(1)와 제2실시예의 열교환기(1a)가 도 9와 같이 온풍기(100) 내에 선택적으로 또는 나란히 설치될 수 있을 것이다. 이는 본 발명의 탄소섬유 발열체(12) 또는 (32)이 적용된 하나 이상의 열교환기(1) 및/또는 (1a)에 의하여 온풍기(100)의 난방능력을 향상시킬 수 있을 것이다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 제1실시예로서, 열교환기를 나타낸 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 제1실시예의 열교환기를 나타낸 정면도이다.

도 3은 도 2의 A-A‘선 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 제2실시예로서, 열교환기를 나타낸 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 제2실시예의 열교환기를 나타낸 정면도이다.

도 6은 도 5의 B-B‘선 단면도이다.

도 7은 본 발명의 제2실시예의 다른 변형예를 나타낸 정면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 제1실시예의 열교환기가 적용된 온풍기의 측단면도이다.

도 9는 본 발명에 따른 제1실시예 및 제2실시예의 열교환기가 적용된 온풍기의 측단면도이다.

Claims (6)

1. 인가된 전기에너지를 열에너지로 변환하는 탄소섬유 발열체;

   상기 탄소섬유 발열체를 내장하고 발열체에서 발열된 열을 수용 및 방열하는 증발관;

   상기 증발관 내에 일정량으로 함입되어 가해진 열로 휘발되어 증발하는 증발액;

   상기 방열관과 연통 결합되고 증발액이 순환하는 복수의 히트파이프;

   상기 히트파이프의 외부 표면에 고정 설치되어 히트파이프의 열을 외부로 방열하는 복수의 방열핀을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 증발액은 물 또는 아세톤 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기.
3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 방열핀 상부와 하부에 플레이트가 장착된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기.
4. 인가된 전기에너지를 열에너지로 변환하는 탄소섬유 발열체;

   상기 탄소섬유 발열체를 내장하는 전열관;

   상기 전열관을 내장하고 전열관에서 발열된 열을 수용 및 방열하는 방열관;

   상기 방열관의 외부 표면에 고정 설치되어 방열관의 열을 외부로 방열하는 방열핀을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기.
5. 제4항에 있어서, 상기 방열관을 복수로 배열하고, 방열관의 양단을 고정부재로 고정한 것을 특징으로 하는 탄소섬유 발열체를 이용한 열교환기.
6. 상기 제1항 내지 제5항 중에서 어느 한 항에 기재된 열교환기가 하나 이상 선택적으로 장착된 온풍기.

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