KR20130098398A - 실내환경 조정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다른 종류의 원적외선 방사물질 사이에서의 열에너지 이동을 이용하여, 현저하게 에너지 효율이 높은 실내환경의 조정을 가능하게 하는 실내환경 조정 시스템을 제공한다. 실내공간에 냉각원의 냉각면을 노출시키고, 그 냉각면을 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료로 구성하며, 상기 실내공간의 실내면 구성부재의 노출면을, 상기 원적외선 방사물질 A와 분자 종류가 상이한 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성하고, 상기 냉각원은, 내부에 형성한 유로에 매체를 흘림으로써 상기 냉각면을 냉각하는 장치이며, 상기 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료의 4.5~20㎛의 파장범위 내에서의 적분방사율은 모두 0.70 이상이고, 또한 상기 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료는, 그 시스템의 작동 온도 영역에서의 파장 4.5~20㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역이 흑체방사의 60% 이상인 실내환경 조정 시스템이다.

Description

실내환경 조정 시스템{Indoor environment adjustment system}
본 발명은 실내에 존재하는 원적외선 방사물질 사이에서의 원적외선의 방사·흡수 현상을 이용하여, 실내를 쾌적한 환경으로 조정하는 실내환경 조정 시스템에 관한 것이다.
실내환경을 조정하기 위한 지금까지의 기술은, 주로 실내에 배치한 가열원이나 냉각원에 의하여 가열 또는 냉각한 실내 공기의 대류에 의한 열에너지의 이동, 혹은 외부로부터 온풍 또는 냉풍을 실내로 공급하여 실내의 공기를 대류시키는 것에 의한 열에너지의 이동을 이용한 것이었다. 최근에 본 출원인은 동일한 원적외선 방사물질 사이에서 이루어지는 원적외선의 방사·흡수 현상을 이용함으로써, 벽, 천장 등의 실내면 구성부재와 냉각원(또는 가열원)과의 사이에서 매우 효율적인 열에너지의 이동을 실현함으로써, 실내 공기의 대류를 이용하고 있었던 지금까지의 기술에 비하여 현격하게 에너지 효율적인 실내환경 조정 시스템을 개발하였다(특허문헌 1, 2를 참조).
상기의 새로운 실내환경 조정 시스템에서는, 원적외선을 방사·흡수하는 성질을 나타내는 동일 물질 사이에서의 방사·흡수를 통한 에너지 이동이 높은 효율로 이루어지는 원리를 이용하고 있다. 여기에서의 '동일 물질'이란, 분자 레벨로 동일한 물질을 말하며, '분자'란, 화학결합에 의하여 결합된 원자의 집단을 의미하고, 예를 들어 천연석재를 구성하는 광물의 결정 등도 포함된다.
선행기술문헌
(특허문헌)
특허문헌 1: 일본등록특허공보 제4422783호
특허문헌 2: 일본공개특허공보 2010-095993호
선행기술의 실내환경 조정 시스템은, 원적외선을 방사·흡수하는 성질을 나타내는 동일 물질 사이에서의 방사·흡수를 통한 에너지 이동을 행함으로써, 실내환경의 조정(쾌적함의 실현)을 하고 있다. 이것은, 파장에 대한 방사율의 특성이 같은 동일 물질을 사용함으로써, 매우 높은 효율(이상적 조건하에서는 100%)의 에너지 이동이 가능하기 때문이다.
상기 실내환경 조정 시스템은, 다양한 건축물로의 적용이 가능하다. 하지만, 냉각원(또는 가열원)과 실내면 구성부재로 동일한 원적외선 방사물질을 사용하는 것이 반드시 쉽지 않은 경우가 있다. 예를 들어, 기존의 건축물에 적용하는 경우, 벽이나 천장 등은 개조하지 않고, 냉각원(또는 가열원)만 신설하는 것이 간단한데, 기존의 벽이나 천장에 포함되는 원적외선 방사물질과 같은 것을 구하는 것이 어려운 경우가 있다.
본 발명은 실내면 구성부재와 냉각원(또는 가열원)으로 동일한 원적외선 방사물질을 사용할 수 없어도 실내환경의 조정을 유효하게 행할 수 있는 새로운 시점에서 개발된 실내환경 조정 시스템의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 실내환경 조정 시스템에서는, 벽이나 천장 등의 실내면 구성부재와, 실내면 구성부재와의 사이에서 원적외선의 방사·흡수에 의한 열에너지를 주고 받는 냉각원(또는 가열원)으로 상이한 원적외선 방사물질을 사용한다. 본 발명의 시스템은, 본원 발명자에 의하여 특허문헌 1, 2에 개시된 실내환경 조정 시스템과 마찬가지로, 실내면 구성부재와 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)과의 사이의 원적외선의 방사·흡수에 의한 열에너지를 주고 받는 것을 이용하고 있다. 하지만, 본 발명의 시스템에서는, 실내면 구성부재와 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)으로 동일한 원적외선 방사물질을 사용하는 것이 아니라, 상이한 원적외선 방사물질을 사용한다.
본원의 발명자가 특허문헌 1, 2에 기재된 선행기술의 시스템에 있어서 실내면 구성부재와 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)으로 동일한 원적외선 방사물질을 사용하는 것을 요건으로 하였던 것은 시도는 하였지만, 동일 물질을 사용하지 않은 경우(다른 종류의 물질의 조합인 경우)에는, 환경조정 효과가 작거나, 또는 한정적이라고 생각되었기 때문이다.
하지만, 실내면 구성부재와 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)으로 동일한 원적외선 방사물질을 사용하지 않아도 효과적인 시스템을 실현하는 것의 유용성을 감안하여 검토를 거듭한 결과, 다음 요건을 만족함으로써, 다른 종류의 원적외선 방사물질을 이용하여도 충분히 실용에 제공할 수 있는 시스템이 얻어지는 것을 발견하여, 본 발명의 완성에 이르렀다. 즉,
(1) 다른 종류의 원적외선 방사물질을 각각 포함하는 재료로 이루어지는 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)과 실내면 구성부재의 표면에 있어서, 쌍방의 재료의 방사율이 가급적 높고, 4.5~20㎛의 파장범위 내에서의 적분방사율이 0.70 이상인 것; 및
(2) 상기 쌍방의 재료는, 시스템의 작동온도영역(상온영역)에서 공유하는 파장영역이 가급적 많을 것. 구체적으로는, 다른 종류의 원적외선 방사물질을 각각 포함하는 재료로 이루어지는 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)과 실내면 구성부재의 시스템의 작동온도영역에서의 상온영역 분광방사 스펙트럼(파장 4.5~20㎛) 상에서의 중복 공유영역이 흑체방사의 60% 이상인 것;이 필요하다. 여기에서, 냉각원의 냉각면(즉, 열흡수면)은 원적외선 흡수측에서, 실내면 구성부재는 원적외선 방사측이 되고, 한편, 가열원의 가열면(즉, 열방사면)은 원적외선 방사측에서, 실내면 구성부재는 원적외선 흡수측이 된다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위하여 다음의 설명을 제공한다.
(1) 실내공간에 냉각원의 냉각면을 노출시키고, 그 냉각면을 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료로 구성하며, 상기 실내공간의 실내면 구성부재의 노출면을 상기 원적외선 방사물질 A와 분자 종류가 상이한 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성하고, 상기 냉각원은 내부에 형성한 유로에 매체를 흘림으로써 상기 냉각면을 냉각하는 장치이며, 상기 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료의 4.5~20㎛의 파장범위 내에서의 적분방사율은 모두 0.70 이상이고, 또한 상기 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료는 그 시스템의 작동온도영역에서의 파장 4.5~20㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역이 흑체방사의 60% 이상인 실내환경 조정 시스템.
(2) 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료는, 파장 7~12㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역이 흑체방사의 60% 이상인 상기 (1)에 기재된 실내환경 조정 시스템.
(3) 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료는, 중복영역이 흑체방사의 70% 이상인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 실내환경 조정 시스템.
(4) 중복영역이 흑체방사의 80% 이상인 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 실내환경 조정 시스템.
(5) 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료의 적분방사율이 0.80 이상인 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 실내환경 조정 시스템.
(6) 상기 실내면 구성부재의 상기 노출면을 형성하고 있는 재료 중에 0.1~100wt%의 상기 원적외선 물질 B가 존재하고 있는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 실내환경 조정 시스템.
(7) 상기 냉각원의 상기 냉각면을 형성하고 있는 재료 중에 0.1~100wt%의 상기 원적외선 물질 A가 존재하고 있는 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 실내환경 조정 시스템.
(8) 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성한 실내면 구성부재의 면적이, 환경 조정하는 공간의 연장바닥 면적의 0.05배 이상의 면적인 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 실내환경 조정 시스템.
(9) 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성한 실내면 구성부재의 면적이, 환경 조정하는 공간의 연장바닥 면적의 0.3배 이상의 면적인 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 실내환경 조정 시스템.
(10) 상기 냉각원의 원적외선 방사물질 A를 포함하는 상기 냉각면의 면적이, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성한 실내면 구성부재의 면적의 0.5배 이하인 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 실내환경 조정 시스템.
(11) 상기 냉각원의 원적외선 방사물질 A를 포함하는 상기 냉각면의 면적이, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성한 실내면 구성부재의 면적의 0.2~0.5배인 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 실내환경 조정 시스템.
(12) 상기 냉각원이 내부에 형성한 유로에 매체를 흘려서 상기 냉각면을 가열함으로써 상기 냉각면을 가열면으로서 이용하는 가열원을 겸하는 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 기재된 실내환경 조정 시스템.
본 발명의 실내환경 조정 시스템은, 냉방 효과를 나타내기 위해서는, 실내공간에 냉각원의 냉각면을 노출시키고, 그 냉각면을 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료로 구성하며, 상기 실내공간의 실내면 구성부재의 노출면을, 상기 원적외선 방사물질 A와 분자 종류가 상이한 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성하고, 상기 냉각원은 내부에 형성한 유로에 매체를 흘림으로써 상기 냉각면을 냉각하는 장치이며, 상기 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료의 4.5~20㎛의 파장범위 내에서의 적분방사율은 모두 0.70 이상이고, 또한 상기 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료는, 그 시스템의 작동온도영역에서의 파장 4.5~20㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역이 흑체방사의 60% 이상인 실내환경 조정 시스템이다.
본 발명의 실내환경 조정 시스템은, 상기 냉각원을 가열원 대신에 난방 효과를 나타내는 것으로서 실현하는 것도 가능하다. 이러한 경우의 시스템은, 실내공간에 가열원의 가열면을 노출시키고, 그 가열면을 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료로 구성하며, 상기 실내공간의 실내면 구성부재의 노출면을 상기 원적외선 방사물질 A와 분자 종류가 상이한 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성하고, 상기 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료의 4.5~20㎛의 파장범위 내에서의 적분방사율은 모두 0.70 이상이고, 또한, 상기 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료는, 그 시스템의 작동온도영역에서의 파장 4.5~20㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역이 흑체방사의 60% 이상인 실내환경 조정 시스템이다. 가열원은 내부에 형성한 유로에 매체를 흘림으로써 가열면을 가열하는 장치일 수 있고, 이러한 경우에는 상기 냉방 효과를 나타내는 시스템이 난방 효과를 나타내는 시스템을 겸할 수 있다. 가열원은, 예를 들어 전기에 의하여 가열면을 가열하는 장치 등이어도 좋다.
본 발명에 따르면, 동일한 물질 사이에서의 효율적으로 뛰어난 원적외선의 방사·흡수에 따른 에너지 이동을 이용한 실내환경 조정 시스템을, 다른 종류의 물질 사이에서의 에너지 이동을 이용하는 것으로까지 확대할 수 있다. 원적외선의 방사·흡수에 따른 에너지 이동을 이용하지 않는 종래기술에 있어서는, 실내공기의 대류가 불가결하고, 실내환경을 구성하는 모든 공기의 온도와 습도의 조정에 필요한 열에너지 이외에, 공기를 대류시키기 위해서도 에너지(주로 기계적 에너지)가 필요하였던 것에 대하여, 본 발명의 시스템에서는, 사람이 쾌적하다고 체감하는 실내환경으로의 조정에 열에너지로서 필요한 만큼이 관여하면 되므로, 종래기술보다 현저하게 에너지 효율이 높은 실내환경의 조정이 가능해진다.
더욱이, 본 발명의 시스템에 따르면, 에어컨을 사용하는 경우와 달리, 온풍 또는 냉풍에 의한 대류가 없으므로, 실내의 관엽식물에게 있어서 적합한 환경을 부여할 수 있어, 관엽식물을 생생한 상태로 장기간 유지시킬 수 있다. 이것은, 식물의 신진대사를 개선하고, 적합한 환경을 초래하기 때문인 것으로 추측된다.
또한, 본 발명의 시스템에 따르면, 천장에서 바닥까지의 상하방향의 온도 차이를 매우 작게 할 수 있으므로(예를 들어, 3m에 대하여 2℃ 이하와, 통상의 수 분의 1 이하로 저감할 수 있음), 공기 중에 부유하는 세균 등의 확산방지 효과가 크다.
도 1은 물질 A와 물질 B의 분광적분방사율 곡선의 모식도이다.
도 2는 물질 A와 물질 B와 물질 C의 분광방사휘도 곡선의 모식도이다.
도 3은 방사특성의 특정시의 고정시료의 세트 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 방사특성의 측정시의 얇은 시료의 세트 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 열흡수장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 열흡수장치에서의 수로를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예 1 및 6에서 이용한 물질 A를 포함하는 재료 및 물질 B를 포함하는 재료의 분광방사 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 8은 실시예 2에서 이용한 물질 A를 포함하는 재료 및 물질 B를 포함하는 재료의 분광방사 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 9는 실시예 3에서 이용한 물질 A를 포함하는 재료 및 물질 B를 포함하는 재료의 분광방사 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 10은 실시예 4에서 이용한 물질 A를 포함하는 재료 및 물질 B를 포함하는 재료의 분광방사 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 11은 실시예 5에서 이용한 물질 A를 포함하는 재료 및 물질 B를 포함하는 재료의 분광방사 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 12는 실시예 7에서 이용한 물질 A를 포함하는 재료 및 물질 B를 포함하는 재료의 분광방사 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 13은 비교예 1에서 이용한 물질 A를 포함하는 재료 및 물질 B를 포함하는 재료의 분광방사 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 14는 비교예 2에서 이용한 물질 A를 포함하는 재료 및 물질 B를 포함하는 재료의 분광방사 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 15는 비교예 3에서 이용한 물질 A를 포함하는 재료 및 물질 B를 포함하는 재료의 분광방사 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실내환경 조정 시스템에서는, 원적외선을 방사·흡수하는 성질을 나타내는 다른 종류의 물질 사이에서의 원적외선의 주고 받음에 의한 에너지 이동을 이용한다. 앞선 출원에서는, 동일한 물질끼리에서의 원적외선의 주고 받음(공명)에 의하여 실내환경을 조정할 수 있는 것을 개시하였다.
하지만, 원적외선의 주고 받음에 다른 종류의 물질을 이용한 시스템이 이용 가능하게 되는 것은, 시스템을 기존의 건축물에 적용하는 경우(벽이나 천장 등은 개조하지 않고, 벽이나 천장에 포함되는 원적외선 방사물질과 상이한 원적외선 방사물질을 이용하여 냉각원(또는 가열원)만을 신설하는 경우)를 비롯하여, 시스템의 구성에 유연성을 부여하는 것으로 이어진다. 그래서, 원적외선의 주고 받음에 다른 종류의 물질을 이용한 실용적인 시스템을 목적으로 검토를 거듭한 결과,
(a) 다른 종류의 원적외선 방사물질을 각각 포함하는 재료로 이루어지는 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)과 실내면 구성부재의 표면에 있어서, 쌍방의 재료의 4.5~20㎛의 파장범위 내에서의 적분방사율이 0.70 이상이고, 또한
(b) 다른 종류의 원적외선 방사물질을 각각 포함하는 재료로 이루어지는 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)과 실내면 구성부재의 시스템의 작동온도영역에서의 분광방사 스펙트럼(파장 4.5~20㎛) 상에서의 중복공유영역이 흑체방사의 60% 이상이라는 요건을 만족함으로써, 그와 같은 시스템을 실현할 수 있다는 것을 발견하였다.
상기 요건에 대하여 설명하기 전에, 우선 동일한 물질 사이에서의 방사·흡수에 의하여 에너지를 주고 받는 현상을 설명한다.
실내공간(주거공간)을 형성하는 부재는, 단일 혹은 복수의 물질(원자·분자의 집합체)로 구성되어 있고, 물질 내에서는 항상 온도에 따른 고유의 원자 혹은 분자 진동이 존재하고 있다. 이러한 진동은 같은 종류 혹은 다른 종류의 원자 사이의 결합상태에 의하여 고유의 진동주기를 가지며, 동일한 진동주기를 가지는 원자결합간에서는 공명현상에 의한 양자 에너지의 주고 받음이 항상 이루어지고 있다.
원자간 진동 에너지는 결합하고 있는 원자의 종류에 따라서 고유의 값(양자 에너지)을 취하고, 진동 레벨은 고유진동수의 정수배의 다단구조를 취한다. 이러한 다단진동 에너지 구조에 있어서 레벨의 상단에서 하단을 향하여 에너지가 천이할 때, 아래로 떨어지는 단수에 따른 고유진동수의 정수배의 진동수(혹은 파장)를 가진 빛이 방사된다. 이러한 빛은 동일한 물질 내에서 동일한 고유진동수를 가지는 원자결합에 흡수되던지, 혹은 물질 밖으로 방사되어, 공간을 사이에 두고 대면하는 다른 부재 중에 존재하는 동일한 고유진동수의 원자결합부에 흡수된다. 흡수가 일어난 원자결합부의 에너지는 흡수 에너지에 따라서 고유진동수의 정수배의 상위 레벨로 뛰어오르는데(여기하는데), 이것은 흡수한 결합부의 온도가 상승하는 것을 의미한다.
이상과 같이 물질 중의 원자결합의 고유진동 에너지의 일부(천이 에너지분량)가 공간을 사이에 띄우고 대면하는 물질의 표면 부근에 존재하는 원자결합간의 진동으로 순간적으로 이동할 수 있는 것은, 동일한 고유진동간의 공명현상에 의한 것으로, 고유진동값이 상이한 원자결합간에서는 일어날 수 없는 것이다. 그리고 이것이 대향하는 동일한 물질 사이에서의 방사·흡수에 의한 에너지의 주고 받음이 매우 높은 효율(이상적 조건 하에서 100%)로 이루어지는 원리이다.
이상에서 서술한 바와 같이, 동일한 물질 사이에서의 원적외선의 방사·흡수에 의한 에너지 이동은, 방사측 물질과 흡수측 물질을 구성하는 원자간 결합의 고유진동의 공명에 의하여 순간적으로 이루어지는 물리현상이다. 이것이, 본 발명자가 먼저 동일한 물질을 사용하지 않은 경우(다른 종류의 물질의 조합인 경우)에는 환경조정 효과를 얻을 수 없던지, 한정적이라고 생각했던 이유이기도 하다. 또한, 실제로 본 발명자가 선행기술의 실내환경 조정 시스템의 개발에 있어서 제작한 냉각원(가열원 겸용)을 그 냉각원(가열원)으로 사용하는 원적외선 방사물질을 포함하지 않는 몇 가지 기존의 방 안에 설치하여도 냉방 효과(또는 난방 효과)는 작거나, 또는 한정적이었다.
하지만, 실내면 구성부재와 냉각원(또는 가열원)으로 상이한 원적외선 방사물질을 사용하여도, 쌍방에서 동일한 물질을 사용한 경우에는 미치지 않는다고 하더라도, 일정 이상의 실내환경 조정 효과가 얻어진다면 본 발명자가 먼저 개시한 원리적으로 에너지 효율적인 실내환경 조정 시스템의 응용을 확대할 수 있다고 생각하여, 다른 종류의 원적외선 방사물질 사이에서의 효율적인 에너지의 주고 받음의 연구를 거듭하였다.
다른 종류의 물질 사이에서의 방사·흡수에 의한 에너지 주고 받음의 경우, 쌍방 물질에서의 원자간 결합의 고유진동수는 일치하지 않던가, 일부가 일치할 뿐이다. 이러한 경우, 이미 설명한 바와 같이 다른 종류의 물질 사이에서의 에너지 주고 받음의 효율은 동일한 물질 사이에서의 그것에 미치지 않고, 본 발명자의 당초 실험에서는 감지될 정도의 냉방(또는 난방) 효과가 얻어지지 않았던 것은 이미 서술한 바와 같다. 하지만, 다른 종류의 물질 사이에 있어서도, 쌍방이 원적외선의 방사·흡수능을 가지는 한, 그들의 사이 정도의 에너지 주고 받음이 이루어지는 것은 틀림없다.
어느 물질 중에 존재하는 분자의 원자간 결합에 근거하는 고유진동의 에너지 준위가 상위에서 하위로 천이할 때, 그 천이 에너지에 상당하는 진동수를 가진 전자파(빛)가 방사된다. 이러한 방사가 물질의 표면에서 일어난 경우에는 그 전자파의 진동수 혹은 파장은 천이 에너지와 같은데, 방사가 물질 내부에서 일어난 경우에는 그 원자결합의 근방에 있는 동일한 원자간 결합에 모두 흡수되던지, 진동수가 상이한 다른 원자나 원자결합에 의하여 방향을 바꾸면서 물질 내를 진행하여, 결국에는 물질의 표면에 도달한다. 표면에 도달한 전자파의 일부는 물질 밖으로 방사되고, 나머지는 물질과 외부공기(공기)와의 경계면에서 방사되어 다시 물질 내부로 진행한다. 이때, 외부로 방사되는 전자파의 에너지, 즉 진동수 혹은 파장은 물질 내를 진행하면서 조금씩 감속이나 가속을 반복하는 결과, 당초의 고유진동값에서 전후로 분산한 것이 된다. 따라서, 물질 외부로 방사되는 빛의 분광방사 스펙트럼은 고유진동값인 단색 피크의 집합이 아니라, 일반적으로는 복수의 완만한 피크를 가지는 평준화된 형상이 된다. 또한, 물질 내에 입사하는 전자파의 진동수 혹은 파장에 대해서도 그 물질 내에 존재하는 고유진동의 전후에 상이한 진동수의 전자파이어도 물질의 표면에서 모두 반사되는 것을 제외하고 나머지는 물질 내에 입사하여, 물질 내부의 원자나 원자결합과의 상호작용에 따라서 조금씩 감속이나 가속을 계속하여, 그 일부는 물질 내의 고유진동과의 일치에 의하여 공명 흡수된다. 상이한 온도의 동일한 물질 사이나, 상이한 분자구조를 가지는 다른 물질 사이에서조차도 서로 외부로 방사된 전자파가 어느 정도는 상대측에 흡수되는 것은, 이와 같은 메커니즘이 존재하기 때문인 것으로 생각된다.
원적외선의 방사·흡수에 의하여 물질 사이에서 주고 받는 에너지양은, 다른 종류이 물질 사이에서 주고 받는 경우에 있어서도, 쌍방의 물질의 적분방사율(=흡수율)이 높을수록 많이 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 시스템에 있어서, 냉각원(또는 가열원)의 냉각면(가열면)과 실내면 구성부재에서의 쌍방의 원적외선 방사물질을 포함하는 재료의 적분방사율은 0.70 이상일 필요가 있다. 보다 바람직하게는, 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료의 적분방사율은 0.80 이상이고, 0.90 이상인 것이 더욱 바람직하다. 이것이 앞서 나타낸 (a)의 요건이다.
'원적외선'이란, 일본에서 일반적으로 파장이 약 3㎛~1000㎛의 전자파를 말하며, 그리고 물질의 방사율은, 동일한 조건에서의 이상적인 흑체의 원적외선의 방사 에너지를 W0로 하고, 그 물질의 원적외선의 방사 에너지를 W로 한 경우, W/W0에 의하여 정의된다. 본 발명의 시스템에서 사용하는 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료의 분광방사 스펙트럼은, 시스템이 적용되는 실내환경의 온도범위에서는 그다지 크게 변하지 않는다. 그 때문에, 본 발명에 있어서 단순히 '적분방사율'이라고 하는 경우에는, 적합하게는 본 발명의 시스템에 의하여 실제로 조정하는 실내온도의 목표값(인체가 쾌적하다고 느끼는 온도) 부근에 있어서 4.5~20㎛의 범위에서 측정한 적분방사율을 채용할 수 있다. 측정파장범위를 4.5~20㎛로 하는 이유는 후술한다.
또한, 본 발명에서의 4.5~20㎛의 파장범위 내에서의 적분방사율은, 다음과 같이 하여 구할 수 있다.
상온영역에서의 원적외선의 방사 에너지의 측정은, 일반적으로 FT-IR(푸리에 변환 적외분광분석)법에 의한 분광방사율 측정에 의하여 행해진다. 측정시료를 유사 흑체벽으로 둘러싸인 시료실 내에 세트하고, 시료로부터 방사되는 원적외선을 미소한 구멍을 통하여 분광기로 안내하며, 동시에 시료와 거의 동일한 온도로 유지된 표준흑체로로부터 인출한 원적외선과 동시에 검출기로 안내하여, 소정의 진동수 구간 혹은 파장 구간마다의 에너지 강도(휘도)를 측정한다. 이러한 소정 파장 구간마다의 방사 에너지 강도(휘도)를 소정의 파장 구간에 걸친 흑체방사와 동시에 표시한 것을 '분광방사 휘도곡선'이라고 한다. 또한, 소정의 파장구간마다 시료로부터의 방사휘도와 흑체로부터의 휘도와의 비율(0~1.0)을 파장마다 모든 파장 구간에 걸쳐서 표시한 것을 '분광방사율 곡선' 혹은 '분광방사 스펙트럼'이라고 한다.
여기에서, '분광방사율'이란, 어느 특정 파장에서의 시료물질에 방사 에너지 강도(휘도)와 동일한 온도, 동일한 파장에서의 흑체로부터의 방사 에너지 강도(이론계산이 가능)와의 비이고, '전체 방사율'이란, 특정 온도에서의 시료물질로부터의 모든 방사 에너지와 동일한 온도에서의 흑체로부터의 모든 방사 에너지(이론계산이 가능)와의 비이다. 또한, 특정 온도, 특정 파장 구간에서의 시료물질로부터의 방사 에너지 강도(휘도)와 동일한 온도, 동일한 파장구간에서의 흑체방사의 에너지 강도(휘도)와의 비를 '적분방사율'이라고 한다.
다양한 물체로부터 어떠한 파장의 전자파(빛)가 어떠한 강도로 방사되고 있는지를 명확하게 하기 위한 연구가 1900년대의 전반부터 시작되어, 당초에는 고온의 물체로부터 방사되는 자외선, 가시광, 적외선 등의 전체 에너지밖에 측정할 수 없었는데, 그 후의 분광기술의 진보에 따라서 점차 측정 가능한 파장 범위나 에너지 강도 범위가 확대되어, 20세기 후반에는 원적외선의 분광방사 스펙트럼도 측정할 수 있게 되었다. 하지만, 시료표면으로부터 분광기에 입사하는 전자파에는 시료 자체로부터의 방사 이외에 시료 주위의 물체에 의한 환경방사가 시료표면에서 반사한 성분도 포함되므로, 시료의 온도가 주위 환경의 온도보다 꽤 높지 않으면 시료 자체로부터의 방사를 구별하기가 어려웠다. 특히, 상온 부근에서의 물체로부터의 원적외선 방사를 측정하는 것은 불가능하다고 여겨지고 있었는데, 1990년대에 본건 발명자를 포함하는 일본의 연구자 그룹에 의하여 특별한 기능을 부여한 상온형 FT-IR 분광방사율계가 개발되어, 30~50℃의 상온영역에 있는 시료 자체로부터 방사되는 원적외선의 분광방사 스펙트럼을 취득할 수 있게 되었다. 이러한 상온영역 분광방사율계는 그 후에 급속하게 보급되어, 현재 일본 내에서 수 십대가 가동 중이다.
원적외선 방사물질 A, B로서는, 광물, 세라믹스 등의 무기재료나, 유기 고분자 재료 등의 유기재료 중에서 상기 요건을 만족하는 것을 선택할 수 있다. 일반적으로 금속재료는, 금속 내부의 원자간 결합의 결합 거리가 짧고, 원자간 결합의 고유진동수가 크기 때문에, 전자 등의 큰 에너지를 가지는 소립자(素粒子)나 전자파(빛)가 근접하지 않으면 진동 레벨 간의 천이는 일어나지 않으며, 진동수가 작은 원적외선은 흡수되지 않고 금속의 표면에서 반사된다. 따라서, 금속재료는 원적외선 방사물질 A, B로서 이용하는 것에 적합하지 않다.
본 발명에서는, 실내면 구성부재 표면에 포함되는 원적외선 방사물질 A와, 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)에 포함되는 원적외선 방사물질 B와는, 상이한 분자 종류로 구성되어 있다. 여기에서, '상이한 분자 종류'란, 원적외선 방사물질 A와 원적외선 방사물질 B가, 분자 레벨에서 상이한 것을 말한다. 여기에서 '분자'란, 화학결합(원자결합)에 의하여 결합된 원자의 집단을 의미한다. 따라서, 여기에서 말하는 '분자'에는, 예를 들어 천연석재를 구성하는 광물의 결정 등도 포함된다. 유사원소가 치환 혹은 고용(固溶)된 동일한 광물은 동일한 분자 종류의 물질로 간주된다.
또한, 원적외선 방사물질 A, B로서는, 각각 단일한 물질(예를 들어, 광물, 세라믹스 등)은 물론, 복수의 물질을 이용하여도 좋다. 예를 들어, 원적외선 방사물질 A로서, 상이한 광물 A1과 A2의 혼합물을 이용하여도 좋다. 마찬가지로, 원적외선 방사물질 B로서, 상이한 세라믹스 B1과 B2의 혼합물을 이용하여도 좋다.
본건 발명자들은 상술한 상온형 FT-IR 분광방사율계(광대역 MCT 검출기)를 이용하여, 금속, 무기재료(세라믹스), 유기고분자 재료, 도료, 천연물 등의 다양한 물체에 대하여, 상온영역에서의 분광방사 휘도곡선이나 분광방사 스펙트럼을 취득하여 원적외선 특성의 평가를 행하여 왔다. 실용 상의 측정파장 범위를 4.5~20㎛로 한 경우, 300°K(켈빈), 즉 27℃에서의 흑체방사의 분광방사 휘도곡선은 Max Plank 의 방사식에 의하여 도 2에서의 곡선 C와 같이 된다. 27℃의 흑체로부터의 방사파장은 3~70㎛의 범위에 분포하고, 최대 방사휘도가 얻어지는 파장(피크 파장)은 Wien의 법칙(λmax=2897/T)으로부터 9.7㎛이다. 또한, 실재하는 물체시료에 대하여 신뢰성이 있는 측정 가능한 파장범위를 4.5~20㎛로 하면, 이 파장범위에서 측정되는 27℃의 흑체방사의 전체 에너지는 방사 전체의 70%이고, 나머지 2%는 4.5㎛ 미만, 28%는 20㎛ 초과이다. 실재하는 물체에 대해서는 파장마다 흑체 비로 0~1.0의 분광방사율이고, 흑체의 피크 파장인 9.7㎛에서의 분광방사율이 낮으면 피크 파장이 다른 파장영역에 있는 경우에도 적지 않다. 파장범위 4~25㎛에서 측정되는 경우도 있는데, 30~50℃ 정도의 상온영역에서의 방사휘도는 흑체이어도 4.5㎛ 미만, 20㎛ 초과의 파장영역에서는 매우 적으며, 또한 검출기의 감도도 저하하므로 노이즈(백그라운드)와의 구별이 어려워져, 신뢰성이 있는 데이터는 얻어지지 않는다.
30~50℃의 상온온도 영역에 있어서, 본 발명의 상기 (a)의 요건을 만족하는 원적외선 방사물질의 예로는 다음과 같은 것이 있다.
<물질명> <적분방사율>
α-알루미나(Al2O3) 분말: 0.89
다공질 알루미나(Al2O3) 분말: 0.91
질화규소(Si3N4) 분말: 0.88
실리카(SiO2) 분말: 0.88
원적외방사 세라믹스(Al2O3-SiO2계) 분말: 0.94
세라믹스(Al2O3-SiO2계) 분말첨가 합섬유포: 0.88
세라믹스(Al2O3-SiO2계) 분말첨가 아크릴판(두께 3㎜): 0.82
세라믹스(Al2O3-SiO2계) 분말첨가 폴리프로필렌(PP) 시트(두께 2㎜): 0.91
세라믹스(Al2O3-SiO2계) 분말첨가 폴리에틸렌(PE) 시트(두께 1㎜): 0.83
양극산화 처리한 알루미늄 합금판(Al-Si-Fe)(두께 2㎜): 0.85
다른 종류의 물질 사이에서의 방사·흡수에 의하여 에너지를 주고 받는 경우, 쌍방의 물질의 고유진동수는 일치하지 않던가, 일부가 일치할 뿐이다. 2개의 원적외선 방사물질 A와 B의 고유진동수가 일치하지 않는 경우, 파장에 대하여 나타낸 그들의 적분방사율 곡선은, 도 1의 모식도에 나타낸 바와 같이, 곡선의 교점을 제외하고 일치하지 않는다. 그들이 일치하지 않는 영역에서는, 한쪽 원적외선 방사물질 A로부터 방사된 원적외선은, 다른 쪽 원적외선 방사물질 B에 일부만 흡수되거나(한쪽 물질의 적분방사율 > 다른 쪽 물질의 적분방사율의 경우), 또는 다른 쪽 물질을 흡수할 수 있는 양의 일부만 만족시키지 않는다(한쪽 물질의 적분방사율 < 다른 쪽 물질의 적분방사율의 경우). 이러한 것으로부터도, 그리고 본 발명자의 체험으로부터도, 이와 같은 제약이 부과된 다른 종류의 물질 사이에서의 방사·흡수에서는, 에너지의 낭비가 많아 실용적인 실내방사 냉각 시스템을 구축할 수 있다고 생각되지 않았다. 즉, 쌍방의 원적외선 방사물질의 적분방사율이 높아도, 그들의 적분방사율 곡선이 일치하지 않는 이상, 그들 사이에서의 에너지의 주고 받음은 동일한 물질 사이에서의 그것에 도저히 미치지 않는다고 생각되었던 것이다.
그럼에도 불구하고, 다른 종류의 물질 사이에서의 원적외선 에너지의 효율적인 주고 받음을 가능하게 하는 기술을 포기하지 않고 추구한 끝에, 본 발명자는 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재와 원적외선 방사물질 A를 포함하는 냉각원(또는 가열원)의 표면(냉각면 또는 가열면)에서의 쌍방의 재료의 적분방사율이 0.70 이상이라고 하는 (a)의 요건과 더불어, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재와 원적외선 방사물질 A를 포함하는 냉각원(또는 가열원)의 표면 냉각면(또는 가열면)에서의 쌍방의 재료의 시스템의 작동온도 영역에서의 파장 4.5~20㎛의 분광 스펙트럼 상에서의 중복영역이 흑체방사의 60% 이상이라고 하는 (b)의 요건을 만족한다면 실용적인 실내환경의 조정을 실현할 수 있다는 것을 발견하였다. 즉, 본 발명자는 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재와 원적외선 방사물질 A를 포함하는 냉각원(또는 가열원)의 표면(냉각면 또는 가열면)에서의 쌍방의 재료의 시스템의 작동온도 영역에서의 파장 4.5~20㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역의 방사율도 중요하다는 것을 발견하였다.
다음으로, 이것을 도 2의 모식도를 참조하여 설명한다. 도 2에는, 3개의 물질 A, B, C의 27℃에서의 분광방사 스펙트럼(분광방사 에너지 휘도)이 나타나 있다. 물질 C는, 분광방사 에너지 휘도가 최대인 이상적 물질의 흑체이다. 물질 A, B는 다른 종류의 물질이며, 고유진동수가 상이한 것을 반영하여 분광방사 에너지 휘도 곡선을 다르게 하고 있다. 물질 A, B 사이에서 원적외선의 주고 받음을 수행하게 한 경우, 한쪽 물질에서 다른 쪽으로 이동하는 만큼의 에너지는, 쌍방의 분광방사 에너지 휘도 곡선이 겹친 'AB간 유효 방사흡수 영역'(도 2)으로 나타난다. 본 발명에 있어서는, 이러한 'AB간 유효 방사흡수 영역'에 상당하는 영역을 '파장 4.5~20㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역'으로 하고 있다. 본 발명에 있어서 '파장 4.5~20㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역이 흑체방사의 60% 이상'이란, 도 2의 'AB간 유효 방사흡수 영역'에 상당하는 '파장 4.5~20㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역'의 면적이, 도 2의 흑체(물질 C)의 분광방사 에너지 휘도곡선의 안쪽 면적의 60% 이상인 것을 의미하고 있다.
예를 들어, 후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료와 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료의 파장 4.5~20㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역이 60% 이상이면, 실험 개시로부터 10분 후에 체감온도가 5~10℃ 저하(또는 상승)하여, 충분한 냉방(또는 난방) 효과가 얻어진다.
특히, 본 발명의 시스템에 있어서는, 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료와 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료가, 27℃에 있어서의 흑체로부터의 방사 에너지(분광방사 에너지 휘도)값이 최대가 되는 파장영역을 사이에 끼운 영역인 7~12㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역이 60% 이상인 것이 적합하다.
본 발명의 목적에서는 상기 중복영역은 클수록 바람직하다. 즉, 중복영역이 흑체방사의, 예를 들어 70%, 80%, 85%, 90%로 커질수록 본 발명의 시스템의 에너지 효율이 향상된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 시스템에서 사용하는 2개의 다른 종류의 물질(물질 A, B)을 포함하는 재료의 분광방사 스펙트럼(분광방사 에너지 휘도)은, 예를 들어 FT-IR 분광법을 이용하여 구할 수 있다. FT-IR 분광법에 따르면, 본 발명의 시스템이 가동되는 온도(작동온도 영역)에서의 원적외선 방사물질의 분광방사 스펙트럼을 쉽게 구할 수 있다.
본 발명에 있어서, 원적외선 방사 스펙트럼의 측정은 다음의 방법에 의하여 수행하였다. 측정시에는 시료의 형상·형태가 중요하고, 시료의 물리적 조건을 본 발명의 시스템에 있어서 실제로 사용하는 것과 가급적 같게 하는 것이 바람직하다. 이러한 측정법에 있어서, 시료를 수직방향으로 고정하는 방식을 이용하는 경우에는, 분체시료는 그 상태로는 측정이 어렵다. 따라서, 물질 A 또는 B가 분체인 경우, 그 자체의 방사특성을 측정할 때에는, 그 분체를 직접 프레스 성형(압력 100kg/㎠ 이상), 또는 그 자체로 성형이 어려운 경우에는, 적외영역에서의 투과성이 큰 KBr(Merck사 제품, 적외분석용)을 희석매체로서 사용하여(매체 중에서의 농도 1wt%), 혼합, 프레스 성형(압력 100kg/㎠ 이상)하여, 고체 시료로 할 수 있다.
(1) 방사특성의 평가
장치: 니혼덴시(주) 제품 FT-IR JIR-3505/적외방사 유닛 IR-IRR200
분해능: 16㎝-1
적산횟수: 200회
측정파수 영역: 2200~500㎝-1(4.5~20㎛)
측정온도: 시료표면의 온도로 약 30~50℃(표준 40℃)
(2) 시료의 세트 방법
i. 고형시료
시료 스테이지 상에 알루미늄 거울면을 놓고, 그 위에 시트, 판 등의 고형시료를 놓은 뒤, 지그(jig)로 고정한다(도 3).
ii. 천, 직물 등의 얇은 시료
시료 스테이지 상에 알루미늄판을 두고, 다시 중앙에 알루미늄 거울면을 고정한다. 그 위에 신축성의 얇은 시료(통상, 두께 10㎛~3㎜)를 놓고, 거울면 상의 시료가 균일한 온도분포가 되도록 잡아당기면서 양 옆을 알루미늄판으로 눌러, 알루미늄 스페이서(30㎜φ~50㎜φ의 도너츠 형상)를 이용하여 위에서부터 고정한다(도 4).
(3) 측정시료의 온도측정방법
열전대: 이시카와산교(주) 제품 T열전대(0.05㎜φ)
기록계: 야마타케 허니웰 제품 디지털 프로세스 리포터 DPR330
온도계측은 열전대를 시료의 표면과 시료 기본재인 알루미늄판에 Ag 페이스트를 사용하여 고정하고, 측정온도로 열전대의 바이어스 설정을 수행한다.
(4) 환경방사(백그라운드 방사)의 보정
알루미늄 거울면의 반사율 98%로 하고, 알루미늄 거울면의 방사휘도로부터 거울면 자체의 방사휘도(측정온도의 흑체휘도의 2%를 계산으로 구함)를 뺀 것을 환경방사로 하여 보정을 행한다.
또한, 도 1의 'BC간 유효 방사흡수 영역'에 상당하는 '파장 4.5~20㎛의 분광방사 에너지(휘도) 곡선 상에서의 중복영역'의 면적은, 다음과 같이 하여 구할 수 있다. 물질 A와 물질 B의 분광방사 에너지(휘도) 곡선을 동일한 화면 상에 병기하고, 측정한 파장영역 내에서 양자가 교차하는 점을 P1, P2, P3, …Pn, 각 점에 상당하는 파장 λ1, λ2, λ3, …, λn으로 한다. 이웃하는 2점의 파장구간의 하측선에 대한 분광방사 에너지(휘도)를 적산한 후, 전체 구간을 합산한다. 이러한 합산값과 동일 온도, 동일 구간에서의 흑체의 방사 에너지(휘도)의 적산값과의 비율을 구함으로써, 물질 A와 물질 B의 분광방사 휘도의 중복 부분에 대한 적분방사율이 구해진다.
본 발명에 있어서, 시스템의 '작동온도영역'이란, 시스템을 실제 사용할 때에 시스템 내에서 관측되는 온도 범위로 정의된다. 원적외선의 주고 받음에 따라서 실내환경의 조정을 수행하는 본 발명의 시스템에 있어서, 원적외선의 주고 받음은, 벽이나 천장 등의 실내면 구성부재와 냉각원 또는 가열원 사이에서 이루어진다. 더욱 구체적인 것은, 냉각작용에 의한 환경 조정의 경우, 실내면 구성부재측의 물질 B로부터 방사된 원적외선이 냉각원측의 물질 A에 흡수되고, 방사한 물질 내부의 원자간 결합의 진동 에너지 레벨이 하위로 천이함으로써 방사측의 물질 B의 온도가 저하된다(방사냉각). 가열작용에 의한 환경조정의 경우, 가열원측의 물질 A로부터 방사된 원적외선이 실내면 구성부재측의 물질 B에 흡수되고, 흡수된 물질 내부의 원자간 결합의 진동 에너지 레벨이 상위로 이동함으로써 흡수되는 측의 물질 B의 온도 상승을 초래한다(방사가열). 이것으로부터 명확하듯이, 본 발명의 시스템에 있어서, 그 실사용시에 실내에서 가장 낮은 온도(난방시) 또는 가장 높은 온도(냉방시)에 있는 것은, 일반적으로 시스템 시동시의 실내면 구성부재의 온도(특히 외부공기 온도의 영향을 가장 받기 쉬운 벽면의 온도)라고 간주할 수 있다. 그리고, 본 발명의 시스템은, 예를 들어 외부공기 온도가 -50℃ 정도인 극한온도에서 +50℃ 정도의 극서온도까지의 다양한 기후조건 하에서 이용되고, 그 기후조건에 따라서 실내면 구성부재의 온도도 외부공기 온도와 동등하게 가까워지는 가능성을 고려하여, 본 발명의 시스템의 작동온도영역은 -50~+50℃ 정도인 것으로 할 수 있다. 실용상의 흡방열 표면에서는, 냉방시 5~20℃ 정도, 난방시 30~60℃ 정도를 작동온도 영역으로서 지장이 없다. 작동온도 영역에서의 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료와 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료의 파장 4.5~20㎛에서의 각각의 분광방사 스펙트럼은, 이 정도의 온도범위에 있어서는 그다지 크게 변하지 않으므로, 실용적으로는 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료에 대하여, 작동온도 영역(-50~+50℃)의 범위 내의 어느 한 온도에서의 원적외선 방사의 분광방사 스펙트럼을 측정하여 비교하여도 좋은데, 엄밀하게는, 원적외 방사물질 A를 포함하는 재료의 작동온도 영역의 범위 내의 어떠한 온도에서의 원적외선 방사의 분광방사 스펙트럼과, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료의 작동온도 영역의 범위 내의 어떤 온도에서의 원적외선 방사의 분광방사 스펙트럼과의 중복영역이 60% 이상이면, 본 발명의 요건 (b)를 만족한다.
'원적외선'이란, 상기와 같이, 일반적으로 파장이 약 3㎛~1000㎛의 전자파를 말하는데, 본 발명에서는 작동온도 영역에서의 원적외선으로서, 파장이 4.5~20㎛(적합하게는, 7~12㎛)의 것에 착안하는 것이다. 이것은, 현상의 기술에서는, 상온영역에 있는 물질의 원적외선 방사특성을 안정적으로 측정할 수 있는 파장이 이 범위로 한정되기 때문인 것과 동시에, 상온(27℃ 전후)의 흑체로부터의 방사 에너지(분광방사 에너지 밀도)값이 최대가 되는 파장영역이 약 10㎛의 파장을 사이에 넣은 이 영역에 있어서, 즉 4.5~20㎛(특히, 7~12㎛)의 파장영역이 흑체 이외의 원적외선 방사물질의 방사 에너지가 큰 영역에 상당한다고 간주할 수 있기 때문이다. 그리고, 이러한 것으로부터, 본 발명에 있어서는 원적외선 방사측과 흡수측과의 중복공유 영역이 흑체방사의 60% 이상으로 하는 파장범위를 4.5~20㎛로 규정하고 있다.
본 발명에 있어서, 상기의 요건 (a), (b)를 동시에 만족하는 재료에 포함되는 물질 A와 B의 조합의 예로서는, 예를 들어,
A(또는 B): 다공질 알루미나(Al2O3) 분말 적분방사율 0.91
B(또는 A): 실리카(SiO2) 분말 적분방사율 0.93
양자의 분광방사 스펙트럼의 중복부분의 적분방사율 0.89
(즉, 중복공유 영역이 흑체방사의 89%)
A(또는 B): 원적외선 방사 세라믹스(Al2O3-SiO2계) 분말 적분방사율 0.94
B(또는 A): 질소규소(Si3N4) 분말 적분방사율 0.88
양자의 분광방사 스펙트럼의 중복부분의 적분방사율 0.85
(즉, 중복공유 영역이 흑체방사의 85%)
등을 들 수 있다.
한편, 요건 (a)를 만족시키는 물질의 조합이어도, 요건 (b)를 만족시키지 않는 조합으로는, 예를 들어,
A(또는 B): 알루미나 소결기판(두께 0.6㎜) 적분방사율 0.72
B(또는 A): 폴리에스테르계 합섬유포 적분방사율 0.71
양자의 분광방사 스펙트럼의 중복부분의 적분방사율 0.58
(즉, 중복공유 영역이 흑체방사의 58%)
를 들 수 있다.
본 발명에서의 '실내면 구성부재'란, 환경조정의 대상이 되는 밀폐공간에 노출된 면을 구성하고 있는 부재를 가리킨다. 밀폐공간은, 그 내부와 외부와의 연결을 가능하게 하는 도어나 창 등과 같은 개폐수단을 구비할 수 있다. 밀폐공간의 대표예는, 인간이 생활·활동하는 건물의 방이나 복도 등이고, 이 밖에 물품을 관리 또는 진열하는 공간(예를 들어, 창고 내의 방이나 상품의 쇼케이스 또는 미술품 등의 전시 케이스), 가축을 포함한 동물의 사육용 옥내, 인간이나 화물의 운송용 이동체(자동차, 철도차량, 선박, 항공기 등)가 구비하는 내부공간 등을 들 수 있다. 인간이 거주하는 주택을 예로 들면, 실내면 구성부재의 대표예는, 벽면, 천장면, 및 바닥면을 구성하고 있는 부재(건축재)이다. 벽의 일부에 설치되어 방 내부와 외부를 구분하기 위하여 설치된 개폐 가능한 건축 기구(문, 장지문, 맹장지문, 창 등)이나, 실내에 설치된 칸막이 등도 실내면 구성부재에 포함된다. 방에 부속하여 설치된 수납을 위한 문짝이나 맹장지 등도 실내면 구성부재에 포함된다. 환경조정의 대상이 되는 방에 부속하는 수납을 위한 구획이, 문짝이나 맹장지 등으로 방으로부터 완전히 나뉘지 않는 구조의 경우, 수납 구획의 방에 노출된 면을 구성하고 있는 부재도, 실내면 구성부재에 포함된다.
'냉각원'은, 환경조정의 대상이 되는 밀폐공간(실내공간)에 노출시킨 냉각면을 내부에 형성한 유로에 매체를 흘림으로써 냉각하는 장치이다. 그것은, 예를 들어 도 5의 (a)의 상면도와, 도 5의 (a)에 있어서 화살표(112) 방향에서 본 정면도인 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같은 상하방향으로 연장되는 2군의 핀(115, 116)을 구비한 (방사)열흡수 장치(110)이면 좋다. 이러한 장치(110)는, 본 발명의 시스템에 의하여 환경조정하는 방의 바닥면(113)과 벽면(114)에 고정되어 있다. 핀(115, 116)을 구비한 열흡수 장치(110)는, 열전도가 양호한 금속 또는 합금재료, 예를 들어 알루미늄, 철, 동이나, 그들의 합금 등으로 제작할 수 있고, 내부에 냉수를 흘리는 수로(115c)(도 6을 참조)를 구비하여, 수로(115c)를 감싸는 판형상 부재(115a)를 가진다. 핀(115, 116)의 표면에는, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 도료에 의하여 형성한 코팅층(115b)이 설치되어 있다. 핀(115, 116)은, 각각 복수가 배치되고, 벽면(114)에 대하여 비스듬한(이 예에서는 45°) 각도로 되어 잇다. 이 각도는 15°~75° 정도의 범위에서 선택 가능하다. 이 예에서는, 핀(115, 116)의 표면이 냉각면을 구성하고 있다. 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이, 핀(115, 116)의 상부를 관통하는 급수 파이프(117)에 의하여 냉수를 공급한다. 핀(115, 116)의 내부의 수로(115c)(도 6)를 흐르는 사이에 냉각면을 냉각하고, 그 자신은 가열된 물은 핀(115, 116)의 하부를 관통하는 배수 파이프(118)를 통하여 냉수발생장치(미도시)로 되돌아갈 수 있다. 급수 파이프(117)와 배수 파이프(118)의 양측은, 지지기둥(119, 120)에 의하여 지지되고 있다. 냉각면의 온도가 실내 공기의 이슬점 이하가 되어 결로에 의하여 냉각면에 발생한 물방울은, 물받이(121)에 떨어뜨려 모아, 배수관(122)으로부터 옥외로 배출할 수 있다.
열흡수 장치(110)에 냉수 대신에 온수를 공급하여 그것을 열방사 장치로 하고, 가열원으로서 이용할 수도 있다. 환경조정의 대칭이 되는 밀폐공간(실내공간)에 노출된 핀(115, 116)의 표면이 가열면이 된다. 가열원으로서는, 예를 들어 온수 대신에 기름, 에틸렌글리콜 등의 열매체를 이용하거나, 전기나 열풍(연소열)에 의하여 가열면을 가열하는 장치 등을 이용할 수도 있다.
냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면) 및 실내면 구성부재의 표면(노출면)은, 각각 서로 상이한 원적외선 방사물질 A 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성된다.
실내면 구성부재의 표면(노출면)을 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성하기 위해서는, 실내면 구성부재를 원적외선 방사물질 B로 제작하거나, 원적외선 방사물질 B를 혼합한 재료로 제작하거나, 또는 원적외선 방사물질 B로 이루어지는 피막을 표면에 형성한 재료로 제작할 수 있다.
한편, 냉각원의 냉각면을 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료로 구성하기 위해서는, 냉각원의 원적외선의 방사·흡수에 관여하는 면에 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료에 의한 피막을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 피막은, 예를 들어 원적외선 방사물질 A를 포함하는 도료를 그 면의 기재에 도포(용제형 도료의 도포, 또는 용제를 이용하지 않는 분체 도료의 도포)하여 형성할 수 있다. 기재가 금속인 경우에는, 양극산화 처리 등에 의하여 금속산화물 피막을 형성할 수 있다. 또는, 그 밖의 적당한 피막형성 기술, 예를 들어 용사(熔射), 증착 등의 PVD 기술, 또는 CVD 기술에 의한 형성도 가능하다. 가열원을 냉각원과 별개로 설치하는 경우의 가열원의 가열면을 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료로 구성하는 데에도 같은 기술을 이용할 수 있다.
원적외선의 방사·흡수는, 원적외선을 주고 받는 2개의 물질이 직접 대면하고 있는 경우에 가장 효율적이 된다. 따라서, 본 발명의 시스템에 있어서, 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)의 원적외선 방사물질 A도, 실내면 구성부재의 원적외선 방사물질 B도, 실내공간에 대하여 노출되어 있는 것이 바람직하다. 그렇다고 하여도, 원적외선 방사물질 A, B는, 예를 들어 그들의 이탈 방지를 위하여, 원적외선의 방사·흡수를 유의하게 방해하지 않을 정도의 두께로 형성한 원적외선에 대하여 투과성이 높은 재료에 의한 피막(보호층) 등으로 덮여 있어도 좋다. 그 때문에, 예를 들어 냉각원(또는 가열원)의 원적외선 방사물질 A를 포함하는 냉각면(또는 가열면), 또는 실내면 구성부재의 원적외선 방사물질 B를 포함하는 면을, 적합한 두께의 도장막, 니스층, 벽지 등으로 피복할 수 있다. 두께는 도포법에 다라서 상이한데, 500㎛ 이하, 스프레이법에 의한 경우에는 10~100㎛ 정도가 통상적이고, 바람직하게는 15~50㎛이다. 도포에 의하지 않고 원적외선 방사물질 A 또는 B를 포함하는 시트 또는 판을 형성하는 경우에는, 통상적으로 0.5~5㎜ 정도에서 선택된다.
본 발명의 시스템에서는, 대면한 물질 사이에서 원적외선을 주고 받게 한다. 공간을 사이에 띄우고 대면하는 물질 내의 원자간 결합(분자) 진동의 천이에 근거하는 원적외선의 방사와 흡수에 의하여, 신속한(거의 광속으로의) 열이동이 일어난다. 이러한 열이동량은 양쪽 물질의 온도 차가 클수록 크고, 대면하는(노출되어 있는) 양쪽 물질의 양이 많을수록 크다. 본 발명의 시스템의 실내면 구성부재의 노출면은, 예를 들어 원적외선 방사물질 B로 이루어지는 석재로 구성함으로써 100%의 원적외선 방사물질 B를 포함하도록 구성할 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템의 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)도, 예를 들어 도 5의 (a), (b)의 열흡수 장치(110)의 핀(115, 116)의 표면에 원적외선 방사물질 A로 이루어지는 석재의 분말을 용사하여 형성함으로써, 100%의 원적외선 방사물질 A를 포함하도록 구성할 수 있다.
본 발명의 실내환경 조정 시스템을 실용화할 수 있을지 아닐지는, 놀랍게도 원적외선 방사물질 A, B의 양(합계량) 이외에, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재 표면의 면적, 더욱이는 그것과 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)의 면적에도 크게 의존하는 것이 발견되었다. 예를 들어, 실내면 구성부재 표면에 함유되는 원적외선 방사물질 B의 농도가 낮아도, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재 표면의 면적을 일정 이상으로 하면, 실용적인 실내환경 조정 시스템이 실현되는 것이 발견되었다. 반대로, 예를 들어, 실내면 구성부재 표면에 함유되는 원적외선 방사물질 B의 농도가 높아도, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재 표면의 면적이 일정 이상이 아니면, 실용적인 실내환경 조정 시스템이 실현되지 않는 것이 발견되었다. 이 실용적인 실내환경 조정 시스템을 실현하기 위하여 필요한 원적외선 방사물질을 포함하는 실내면 구성부재 표면의 면적은, 주로 바닥면적에 의존한다. 즉, 예를 들어 천장 높이 2.5~3m의 실내인 경우, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재 표면의 면적은, 실내공간을 구성하는 바닥면적의 0.05배 이상인 것이 바람직하다. 더욱이, 적합한 면적은 실내공간을 구성하는 바닥면적의 0.3배 이상, 가장 적합하게는 0.8배 이상이다. 실내외의 환경(혹서지, 일반주택, 오피스, 상점, 미용실 등)이나, 천장 높이 등의 구조에 의하여 1.5배 이상, 더욱이는 2.0배 이상이 바람직한 경우도 있다. 실용 상으로는 공장건물, 스포츠 시설, 극장홀 등 천장이 높아 공간용적이 매우 큰 실내공간에서도 본 시스템은 적용할 수 있고, 이와 같은 큰 공간 건축물에서는 용적의 증가율에 비하여 실내면의 면적의 증가율이 작아지므로, 에너지를 주고 받는 대상으로 하는 본 발명의 이점은 증대된다. 실내면 구성부재(벽과 천장이 대표적)는, 그 전체 표면에 원적외선 방사물질 B를 포함시켜도 좋고, 또는 일부만 포함시켜도 좋다. 예를 들어, 원적외선 방사물질 B는 천장면의 전부 또는 일부만, 혹은 벽면의 전부 또는 일부에만 포함시켜도 좋고, 혹은 그들을 조합하여도 좋다.
한편, 실내공간의 바닥면적이라고 할 때, 폐쇄공간의 바닥면적은 간단하지만, 일부에 개구부가 있는 경우에는, 냉각의 관점에서 무시할 수 있을 정도의 작은 개구부는 무시하고 실내공간을 고려하여 계산하여도 좋다.
한편, 냉각원의 원적외선 방사물질 A를 포함하는 냉각면(또는 가열원의 가열면)의 면적은, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면적 구성부재 표면의 면적만큼 중요하지는 않지만, 일반적으로 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재 표면의 면적보다 작은 면적인 것이 효율적이며 바람직하다. 일반적인 실내라면 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재 표면의 면적의 0.5배 이하, 더욱이는 0.4배 이하이어도 충분한데, 발열원이 많은 실내 등에서는 0.5배 이상, 예를 들어 0.8배 이하가 바람직한 경우도 있다. 하한은 원적외선 방사물질 A의 종류나 농도에도 의존하는데, 일반적으로는 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재 표면의 면적의 0.15배 이상이고, 0.2배 이상이 바람직하며, 0.3배 이상이 보다 바람직하다. 냉각원의 원적외선 방사물질 A를 포함하는 냉각면(또는 가열원의 가열면)의 면적을, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재 표면의 면적보다 작게 할 수 있는 것, 반대로 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재 표면의 면적을 냉각원의 원적외선 방사물질 A를 포함하는 냉각면(또는 가열원의 가열면)의 면적보다 크게 취하는 것은, 본 발명의 효과의 실현에 중요한 기여를 한다. 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)의 원적외선 방사물질 A뿐만 아니라, 이것과 공명하는 실내면 구성부재 표면의 원적외선 방사물질 B가, 실내환경의 조정에 있어서 간접적으로 냉각원(가열원)으로서 작용하는 것이 본 발명의 실내환경 조정 시스템이 종래의 냉각원(가열원)만인 경우에 비하여 현저한 실내환경 조정의 성능 및 효율을 실현하는 이유라고 생각된다. 또한, 이와 같이 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)의 원적외선 방사물질 A와, 실내면 구성부재 표면의 원적외선 방사물질 B가 공명함으로써, 실내공간 조정의 성능 및 효율이 현저하게 향상되어, 예를 들어 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)의 원적외선 방사물질 A와, 실내면 구성부재 표면의 원적외선 방사물질 B가 동일하지 않아도, 요건 (b)을 만족하는 경우에는, 동일한 원적외선 방사물질의 경우와 마찬가지의 효과를 나타내는 것을 가능하게 하는 이유라고 생각된다.
원적외선 방사물질 A, B의 농도는 대면한 물질 A, B 사이에서 시스템에 있어서 유효한 원적외선의 주고 받음이 이루어지는 에너지양을 규정하므로 중요하다. 원적외선 방사물질 A, B의 종류에도 의존하는데, 예를 들어 실내면 구성부재의 노출표면에 원적외선 방사물질 B를 혼합하는 경우, 원적외선 방사물질 B를, 예를 들어 도료 고형분의 0.5wt% 함유하는 것만으로도 충분한 효과를 얻을 수 있다. 실내면 구성부재의 노출표면에 포함되는 원적외선 방사물질 B의 양은, 통상적으로 노출표면 기재 고형분의 0.1~100wt%, 바람직하게는 0.5~20wt%이다. 이러한 원적외선 방사물질 B의 농도가 너무 낮으면, 냉각면(또는 가열면)과의 열이동량이 감소하여, 냉각(또는 난방) 효율이 저하하는 경우가 있고, 한편, 농도가 높으면 성능적으로는 뛰어날 수 있지만, 점차 경제성에 뒤떨어지게 된다. 또한, 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)에 원적외선 방사물질 A를 함유시키는 경우, 원적외선 방사물질 A를, 예를 들어 도료 고형분의 1wt% 혼입한 것만으로도 충분한 효과를 얻을 수 있다. 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)을 형성하는 원적외선 방사물질 A의 양은, 통상적으로 노출표면 기재 고형분의 0.1~100wt%, 바람직하게는 0.5~20wt%이다. 이러한 원적외선 방사물질 A의 농도가 너무 낮으면, 실내면 구성부재와의 열이동량이 감소하고, 냉각(또는 난방) 효율이 저하되는 경우가 있고, 한편, 농도가 높으면 성능적으로는 뛰어날 수 있지만, 냉각면의 제조가 어려워지거나, 경제성에 뒤떨어질 우려가 있다. 하지만, 원적외선 방사물질 A, B의 바람직한 농도는, 원적외선 방사물질 A, B의 종류나 형태, 기재의 종류나 원적외선 방사물질 A, B의 혼입 방법, 두께 등의 요인에도 의존하므로, 상기 범위로 한정되는 것은 아니다. 한편, 기재인 금속재료의 표면에 형성된 양극산화피막, 용사피막 등은 원적외선 방사물질의 농도가 100%로 볼 수 있다.
냉각면(또는 가열면), 즉 열흡수면(또는 열방사면)으로의 원적외선 방사물질 A의 첨가율 또는 표면에서의 총질량(엄밀하게는 분자수)은, 이론상 가장 중요한 인자이다. 왜냐하면, 그 면에서 흡수할 수 있는 실내면으로부터의 방사 에너지의 총량이 가) 냉각면(또는 가열면)의 총면적, 나) 그 면과 실내면의 양자 사이의 유효방사율(분광방사 곡선의 중복부분 대 흑체의 비), 다) 양자의 표면온도차에 의하여 규정되기 때문이다. 실내면 구성부재의 표면에 배치되는 원적외선 방사물질 B의 총질량은 통상 냉각면(또는 가열면)에 배치되는 원적외선 방사물질 A보다 크다. 그 의존량비가 매우 큰(예를 들어 10배 이상) 경우에는, 실내면 구성부재에 배치되는 원적외선 방사물질 B의 첨가율을 원적외선 방사물질 A보다 작게 하거나, 실내면 구성부재 전체의 면적에 대한 원적외선 방사물질 B를 배치하는 실내면 구성부재의 비율을 낮출 수 있다. 이와 같이, 냉각면(또는 가열면)과 실내면 구성부재 표면에 배치되는 원적외선 방사물질 A, B의 첨가율은 오히려 A>B인 것이 적합하다.
본 발명의 시스템에서는, 냉각면(또는 가열면)에 원적외선 방사물질 A를 포함하는 냉각원(또는 가열원)과 노출면에 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재는, 동일한 방에 존재하는 것이 바람직하다. 이것은, 본 발명의 시스템에서는 대면하는 냉각면(또는 가열면)과 실내면 구성부재와의 사이에서의 원적외선의 방사·흡수에 의한 주고 받음을 이용하고 있고, 그들이 동일한 방에 존재하는 경우에 가장 큰 효과가 얻어지기 때문이다. 그렇다고 하여도, 특허문헌 1, 2에 기재된 바와 같이, 냉각원(또는 가열원)을 설치한 방과는 다른 방이어도, 그 다른 방의 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재의 노출면과 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)과의 사이에서 원적외선의 주고 받음이 가능하면(예를 들어, 다른 방의 원적외선 방사물질 B를 포함하는 벽과 냉각원의 냉각면(또는 가열원의 가열면)과의 사이에서, 원적외선의 직접 주고 받음이 이루어지는 경우, 다른 방의 원적외선 방사물질 B를 포함하는 벽과 냉각원(또는 가열원)과의 사이에서 원적외선의 직접 주고 받음이 불가능하여도, 쌍방에서 모두 예측할 수 있는 부위의 벽면에 포함되는 원적외선 방사물질 B의 작용에 의하여, 쌍방 사이에서 원적외선의 간접적인 주고 받음이 이루어지는 경우 등), 본 발명의 시스템에 의한 환경조정 효과는 그와 같은 다른 방에도 미친다. 이상과 같이, 노출면에 원적외선 방사물질 B를 포함하는 실내면 구성부재는, 조정의 대상이 되는 모든 방에 존재하게 된다.
냉각면(또는 가열면)과 대면하고 있지 않은 실내면 구성부재의 표면도 원적외선 방사와 흡수에 의한 열에너지의 이동에 맡겨, 결과적으로 초기의 양자 사이에서의 온도 차이가 축소되는 것은 다음의 물리 광학적 기구에 의한다고 생각된다.
1) 냉각면(또는 가열면)과 직접 대면하는 실내면 구성부재의 표면과의 사이에서 온도차가 있을 때, 그 온도차(ΔT), 양자의 유효 적분방사율, 양자의 표면적, 양자의 표면 부근에 존재하는 원적외선 방사물질 A 및 B의 존재량에 따라서 열에너지의 이동이 일어나, 고온측(방사측)의 온도가 하강하고, 저온측(흡수측)의 온도가 상승한다. [1차 흡수·방사]
2) 냉각면(또는 가열면)측에서는 안쪽을 흐르는 냉(또는 온)열매체에 의하여 신속하게 열이동이 일어나, 원래의 설정온도로 복귀하므로, 실내면 구성부재의 표면과의 온도 차이가 유지된다.
3) 1차 흡수·방사에 의하여 실내면 구성부재 간에 온도 차이가 발생한 경우, 즉시 원적외선의 방사와 흡수에 의한 에너지 이동이 일어나, 온도 차이가 상쇄된다. [2차 흡수·방사]
4) 3)의 [2차 흡수·방사]는, 냉각면(또는 가열면)과 직접 대면하고 있지 않은 실내면 구성부재의 표면과의 사이에서도 일어나, 결과적으로 동일한 실내에서 냉각면(또는 가열면)과 직접 대면하고 있지 않은 실내면 구성부재의 표면온도도 상승 혹은 하강한다.
5) [2차 흡수·방사] 현상의 결과, 동일한 실내의 실내면 구성부재의 표면 온도는 동일하게 되어, 신속하게 미리 설정된 온도가 됨으로써 실내의 쾌적성을 실현한다. [1차 흡수·방사]와 [2차 흡수·방사] 현상에서의 열에너지의 이동 속도는 거의 광속과 같아, 가령 다단에 걸쳐도 시간적으로는 순간적인 현상이다. 하지만, 실제로는 실내면 구성부재의 표면온도가 10℃ 정도 변하는데에 10분간 정도를 필요로 하고, 냉각면(또는 가열면)과의 온도 차이가 축소되는 데에 필요한 시간은, 양자의 표면에 배치되는 원적외선 방사물질 A 및 B의 원적외선 흡수·방사 성능이나 실내면 구성부재의 기재의 단열성능, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 표면층의 밀도, 두께에 크게 의존한다.
6) 원적외선을 어느 정도 투과하는 차폐물(예를 들어, 장지, 맹장지, 칸막이, 커튼, 유리문 등)로 구분된 실내면 구성부재의 표면 온도도 투과량의 대소에 따라 어느 정도의 지연, 온도 차이를 수반하는데, 최종적으로는 거의 동일한 상태에 도달한다.
7) 원적외선을 투과하지 않는 차폐물(예를 들어, 문, 미닫이문, 금속제 칸막이 등)로 구분된 별실의 실내면 구성부재의 표면에 배치된 원적외선 방사물질 B와 냉각면(또는 가열면)의 표면에 배치된 원적외선 방사물질 A와의 사이에서는 원적외선에 의한 열에너지의 주고 받음이 직접 이루어지는 일은 없는데, 이들의 차폐물이 일단 개방되면, 1차 혹은 2차 흡수·방사 기구에 의하여 순간적으로 열에너지의 주고 받음이 일어나, 양 표면 사이의 온도 차이가 상쇄된다. [3차 흡수·방사] 실내면 구성부재의 표면끼리의 온도 차이가 축소되는 데에 필요한 시간은, 실내면 구성부재의 표면의 원적외선 흡수·방사 성능이나 두께 및 기재와 표면재의 열특성, 별실의 실외환경으로부터의 입출열량에 따라서 좌우된다.
8) 냉각면(또는 가열면)이 배치된 방과 벽에 의하여 구분된 별실에서의 실내면 구성부재의 표면과 냉각면(또는 가열면) 사이에서는, 직접적으로 원적외선에 의한 열에너지의 주고 받음이 이루어지는 일은 없는데, 예를 들어, 종이, 목재, 합성수지, 무기건축재, 유리 등은 원적외선을 흡수 혹은 방사하여 온도가 오르내리는 재료이고, 이들의 벽재를 통과하여 어느 정도의 방사 에너지의 주고 받음이 이루어진다. 따라서, 이들 원적외선에 대한 흡수·방사 특성이나 밀도, 두께 등에 따라서 온도 차이의 상쇄에 필요한 시간은 상이한데, 본 발명의 기구나 효과와 무관하지 않다.
이상과 같이 실내공간의 공기온도나 습도를 조정하는 종래의 실내환경 제어 시스템에 대하여, 본 발명에 있어서는 물질 사이에서의 적외선의 흡수·방사에 의한 광속 레벨에서의 열에너지의 이동에 착안하여, 실내에 설치되는 냉각면(또는 가열면)과 실내면 구성부재의 표면에 배치하는 원적외선 방사물질의 방사 특성과 그 존재량 및 열에너지의 주고 받음에 따른 유효면적을 검토함으로써, 필연적으로 공기의 대류를 수반하는 공기조화방식보다 쾌적성이 뛰어나며, 에너지 효율이 매우 높은 실내환경 제어 시스템을 실현하기에 이르렀다.
실시예
이하의 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 3에서의 실험조건은 다음과 같다.
폭 2.5m, 너비 1.5m, 높이 2.2m의 방의 바닥면을 제외하고 5면에 두께 30mm의 우레탄폼 단열판(안쪽면 알루미늄박 부착)을 깔고, 그 위에 실시예 및 비교예에 공시하는 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 이루어지는 공시체 1(1m×1m)을 5~10장 세팅하였다. 한편, 바닥면에는 표면에 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료로 이루어지는 공시체 2를 방사 또는 흡수면 2m2를 가지는 방흡열기(가열/냉각판) 상에 세팅하였다. 방열/흡열기 상의 원적외선 방사물질 A를 포함하는 공시체 2의 표면 온도가 소정의 온도에 도달한 후, 미리 공시체 1과 공시체 2 사이의 방사 에너지 이동을 차단하고 있던 단열차폐재(알루미늄 증착 발포 폴리에틸렌 시트)를 제거하고, 이어서 실내 각 부분에 배치한 공시체 1과 공시체 2의 표면온도, 실내공기온도, 실내체감온도 및 실험자가 체감하는 경시변화를 측정하였다. 각 부분의 온도의 측정방법은 다음과 같다.
1) 표면온도: 선직경 0.3mm의 K열전대의 선단부를 알루미늄 접착 테이프(10mm×10mm×0.1mm)를 사용하여 공시체의 표면에 부착하였다.
2) 실내공기온도: 선직경 0.3mm의 K열전대의 선단부를 절연성 접착 테이프(4mm×8mm×0.1×mm) 2장 사이에 끼워넣고, 다시 한 번 알루미늄 접착 테이프(10mm×10mm×0.1mm) 2장 사이에 끼워넣은 것을 지지기둥에 의하여 실내공간의 소정 위치에 세팅하였다.
3) 실내체감온도: 선직경 0.3mm의 K열전대의 선단부를 절연성의 흑체 접착 테이프(10mm×10mm×0.1mm) 2장 사이에 끼워넣은 것을 지지기둥에 의하여 실내공간의 소정 위치에 세팅하였다.
4) 체감: 실험자 또는 실험입회자가 실내에서 느낀 '쾌적감'을 A(쾌적), B(다소 쾌적), C(보통), D(다소 불충분), E(불충분)의 5개의 단계로 평가하였다.
실시예 1
A: 양극산화처리한 Al-Si-Fe계 알루미늄 합금판(두께 2mm, 산화피막 20㎛) 적분방사율 0.87
B: 원적외선 방사 세라믹스(Al2O3-SiO2계) 분말을 10wt% 넣고, 방사(紡絲) 가공한 폴리에스테르 합섬유포 적분방사율 0.93
양자의 분광방사 스펙트럼의 중복부분의 적분방사율 0.87(즉, 중복공유영역이 흑체방사의 87%)
이들의 분광방사 스펙트럼을 도 7에 나타낸다. 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료측을 40℃, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측을 15℃로 하고, 양자 사이의 차폐를 제거한 후의 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측의 표면온도 변화는 다음과 같았다.
1분 후 17℃ (+2℃)
3분 후 20℃ (+5℃)
5분 후 22℃ (+7℃)
10분 후 24℃ (+9℃)
체감온도 17℃ -> 27℃(+10℃)로 충분한 온기가 얻어졌다.
체감 평가 A
실시예 2
A: 알마이트 처리한 Al-Se-Fe계 알루미늄 합금판(두께 2mm, 산화피막 20㎛) 적분방사율 0.87
B: 폴리에스테르계 합섬유포 적분방사율 0.71
양자의 분광방사 스펙트럼의 중복부분의 적분방사율 0.71(즉, 중복공유영역이 흑체방사의 71%)
이들의 분광방사 스펙트럼을 도 8에 나타낸다. 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료측을 40℃, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측을 15℃로 하고, 양자 간의 차폐를 제거한 후의 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측의 표면온도 변화는 다음과 같았다.
1분 후 16℃ (+1℃)
3분 후 18℃ (+3℃)
5분 후 20℃ (+5℃)
10분 후 22℃ (+7℃)
체감온도 17℃ -> 25℃(+8℃)로 만족할만한 온기가 얻어졌다.
체감 평가 A
실시예 3
A: 알마이트 처리한 Al-Si-Fe계 알루미늄 합금판(두께 2mm, 산화피막 20㎛) 적분방사율 0.87
B: 알루미나 소결기판(두께 0.6mm) 적분방사율 0.72
양자의 분광방사 스펙트럼의 중복부분의 적분방사율 0.69
이들의 분광방사 스펙트럼을 도 9에 나타낸다. 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료측을 40℃, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측을 15℃로 하고, 양자 사이의 차폐를 제거한 후의 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측의 표면 온도 변화는 다음과 같았다.
1분 후 16℃ (+1℃)
3분 후 18℃ (+3℃)
5분 후 20℃ (+5℃)
10분 후 22℃ (+7℃)
체감온도 17℃ -> 25℃(+8℃)로 만족할만한 온기가 얻어졌다.
체감 평가 A
실시예 4
A: 알마이트 처리한 보통(2S) 알루미늄판(두께 2mm, 산화피막 20㎛) 적분방사율 0.77
B: 원적외선 방사 세라믹스(Al2O3-SiO2계) 분말을 10% 첨가한 폴리에틸렌 시트(두께 1mm) 적분방사율 0.83
양자의 분광방사 스펙트럼의 중복부분의 적분방사율 0.76(즉, 중복공유영역이 흑체방사의 76%)
이들의 분광방사 스펙트럼을 도 10에 나타낸다. 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료측을 40℃, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측을 15℃로 하고, 양자 사이의 차폐를 제거한 후의 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측의 표면온도 변화는 다음과 같았다.
1분 후 16℃ (+1℃)
3분 후 19℃ (+4℃)
5분 후 21℃ (+6℃)
10분 후 23℃ (+8℃)
체감온도 17℃ -> 26℃(+9℃)로 충분한 온기가 얻어졌다.
체감 평가 A
실시예 5
A: 원적외선 세라믹스(Al2O3-SiO2계) 도장한 스테인리스판(SUS304)(두께 2mm) 적분방사율 0.80
B: 원적외선 세라믹스 (Al2O3-SiO2계) 분말을 10% 첨가한 폴리에틸렌 시트(두께 1mm) 적분방사율 0.83
양자의 분광방사 스펙트럼의 중복 부분의 적분방사율 0.79(즉, 중복공유영역이 흑체방사의 79%)
이들의 분광방사 스펙트럼을 도 11에 나타낸다. 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료측을 40℃, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측을 15℃로 하고, 양자 사이의 차폐를 제거한 후의 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측의 표면온도 변화는 다음과 같았다.
1분 후 16℃ (+1℃)
3분 후 19℃ (+4℃)
5분 후 20℃ (+5℃)
10분 후 23℃ (+8℃)
체감온도 17℃ -> 26℃(+9℃)로 충분한 온기가 얻어졌다.
체감 평가 A
실시예 6
A: 양극산화처리한 Al-Si-Fe계 알루미늄 합금판(두께 2mm) 적분방사율 0.87
B: 원적외선 방사 세라믹스(Al2O3-SiO2계) 분말을 10% 넣고 방사 가공한 합섬유포 적분방사율 0.93
양자의 분광방사 스펙트럼의 중복부분의 적분방사율 0.87(즉, 중복공유 영역이 흑체방사의 87%)
이들의 적분방사율을 도 7에 나타낸다. A측을 12℃, B측을 32℃로 하고, 양자 사이의 차폐를 제거한 후의 B측의 표면온도 변화는 다음과 같았다.
1분 후 31℃ (-1℃)
3분 후 30℃ (-2℃)
5분 후 29℃ (-3℃)
10분 후 28℃ (-4℃)
체감온도 33℃ -> 28℃(-5℃)로 충분한 냉기와 쾌적함이 얻어졌다.
체감 평가 A
실시예 7
A: 질화규소(Si3N4)·탄화규소(SiC) 복합 세라믹스판(두께 3mm) 적분방사율 0.82
B: 저밀도 폴리에틸렌 시트(두께 1mm) 적분방사율 0.76
양자의 분광방사 스펙트럼의 중복부분의 적분방사율 0.73(즉, 중복공유 영역이 흑체방사의 73%)
이들의 분광방사 스펙트럼을 도 12에 나타낸다. A측을 12℃, B측을 32℃로 하고, 양자 사이의 차폐를 제거한 후의 B측의 표면온도 변화는 다음과 같았다.
1분 후 31.5℃ (-0.5℃)
3분 후 31℃ (-1℃)
5분 후 30℃ (-2℃)
10분 후 29℃ (-3℃)
체감온도 33℃ -> 29℃(-4℃)로 만족할만한 쾌적함이 얻어졌다.
체감 평가 A
비교예 1
A: 알마이트 처리한 Al-Se-Fe계 알루미늄 합금판(두께 2mm) 적분방사율 0.87
B: 저밀도 폴리에틸렌 시트(두께 1mm) 적분방사율 0.36
양자의 분광방사 스펙트럼 중복부분의 적분방사율 0.36(즉, 중복공유 영역이 흑체방사의 36%)
이들의 분광방사 스펙트럼을 도 14에 나타낸다. 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료측을 40℃, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 15℃로 하고, 양자 사이의 차폐를 제거한 후의 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측의 표면온도 변화는 다음과 같았다.
1분 후 15℃ (+0℃)
3분 후 16℃ (+1℃)
5분 후 18℃ (+3℃)
10분 후 19℃ (+4℃)
체감온도 17℃ -> 21℃(+4℃)로 온기가 거의 얻어지지 않았다.
체감 평가 C~D
비교예 2
A: 흑색도장한 스테인리스판(SUS304)(두께 2mm) 적분방사율 0.39
B: 저밀도 폴리에틸렌 시트(두께 1mm) 적분방사율 0.36
양자의 분광방사 스펙트럼의 중복부분의 적분방사율 0.32(즉, 중복공유 영역이 흑체방사의 32%)
이들의 분광방사 스펙트럼을 도 15에 나타낸다. 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료측을 40℃, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측을 15℃로 하고, 양자 사이의 차폐를 제거한 후의 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료측의 표면온도 변화는 다음과 같았다.
1분 후 15.2℃ (+0.2℃)
3분 후 15.5℃ (+0.5℃)
5분 후 16.2℃ (+1.2℃)
10분 후 17.0℃ (+2.0℃)
체감온도 17℃ -> 20℃(+3℃)로 온기가 거의 얻어지지 않았다.
체감 평가 D
산업상의 이용 가능성
본 발명은 인간이 활동이나 생활을 하는 각종 방이나 시설, 물품을 관리하는 방(예를 들어, 창고의 방)이나 진열하는 공간(예를 들어, 쇼케이스) 등을 제공하는 건축·건설 분야에 있어서 방이나 공간의 환경조정을 행하는데에 널리 이용할 수 있다.
110: 열흡수장치
113: 바닥면
114: 벽면
115, 116: 핀
115c: 수로

Claims (12)

  1. 실내공간에 냉각원의 냉각면을 노출시키고, 그 냉각면을 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료로 구성하며, 상기 실내공간의 실내면 구성부재의 노출면을, 상기 원적외선 방사물질 A와 분자 종류가 상이한 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성하고, 상기 냉각원은, 내부에 형성한 유로에 매체를 흘림으로써 상기 냉각면을 냉각하는 장치이며, 상기 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료의 4.5~20㎛의 파장범위 내에서의 적분방사율은 모두 0.70 이상이고, 또한 상기 원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료는, 그 시스템의 작동온도 영역에서의 파장 4.5~20㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역이 흑체방사의 60% 이상인 실내환경 조정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료가, 파장 7~12㎛의 분광방사 스펙트럼 상에서의 중복영역이 흑체방사의 60% 이상인 실내환경 조정 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료는, 중복영역이 흑체방사의 70% 이상인 실내환경 조정 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    중복영역이 흑체방사의 80% 이상인 실내환경 조정 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원적외선 방사물질 A를 포함하는 재료 및 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료의 적분방사율이 0.80 이상인 실내환경 조정 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실내면 구성부재의 상기 노출면을 형성하고 있는 재료 중에 0.1~100wt%의 상기 원적외선 물질 B가 존재하고 있는 실내환경 조정 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각원의 상기 냉각면을 형성하고 있는 재료 중에 0.1~100wt%의 상기 원적외선 물질 A가 존재하고 있는 실내환경 조정 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성한 실내면 구성부재의 면적이, 환경조정하는 공간의 연장 바닥 면적의 0.05배 이상의 면적인 실내환경 조정 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성한 실내면 구성부재의 면적이, 환경조정하는 공간의 연장 바닥 면적의 0.3배 이상의 면적인 실내환경 조정 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각원의 원적외선 방사물질 A를 포함하는 상기 냉각면의 면적이, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성한 실내면 구성부재의 면적의 0.5배 이하인 실내환경 조정 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각원의 원적외선 방사물질 A를 포함하는 상기 냉각면의 면적이, 원적외선 방사물질 B를 포함하는 재료로 구성한 실내면 구성부재의 면적의 0.2~0.5배인 실내환경 조정 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각원이, 내부에 형성한 유로에 매체를 흘려서 상기 냉각면을 가열함으로써 상기 냉각면을 가열면으로서 이용하는 가열원을 겸하는 실내환경 조정 시스템.
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