KR20170052396A - 습기 및 열 교환기 - Google Patents

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Abstract

습기 및 열 교환기는 공기가 통과하는 제1 통로 및 제2 통로를 구비한 하우징과, 일부는 제1 통로의 공기를 통과시키며 공기에 습기를 가하고 다른 일부는 제2 통로의 공기를 통과시키며 공기 중의 습기를 제거하도록 하우징에 배치된 습기 교환기와, 내부에 열을 전달하는 매체가 흐르며 공기와 접촉하며 열을 교환하도록 하우징에 배치된 제1 열교환부를 구비한다.

Description

습기 및 열 교환기{Humidity and heat exchanger}
실시예들은 습기 및 열 교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단순한 구조를 채용하며 동력 소모를 최소화하면서도 충분한 난방 가습 운전과 냉방 및 제습 운전을 수행할 수 있는 습기 및 열 교환기에 관한 것이다.
우리나라의 연간 에너지 사용량의 약 25%는 폐열로 버려진다. 산업에서 발생하는 일부 폐열은 섭씨 100도를 넘는 경우가 있으나, 이러한 고온의 폐열은 전체 폐열의 극히 일부분에 불과하다. 버려지는 폐열은 대부분 발전소의 배열로부터 기인하는데, 그 이유는 발전소의 배열이 섭씨 약 40도 이하의 저온의 열이므로 직접적으로 난방에 활용하기에는 적합하지 않기 때문이다. 따라서 국가적으로 에너지 사용의 효율성을 높이기 위해서 저온의 배열을 이용할 수 있는 기술의 개발이 절실히 요구된다.
발전소에서 배출되는 저온의 온배수는 섭씨 약 40도 이하의 저온의 배열이므로 활용도가 매우 낮다. 이와 같은 저온의 열을 직접 난방을 위해 활용하기는 어려우므로 히트펌프 등의 특수 장치를 이용하여 배열의 온도를 높인 후에 사용하는 방안이 고려될 수 있다. 그러나 히트펌프를 도입하는 경우, 히트펌프의 설치비용이 소요되고 히트펌프의 구동을 위해 상당한 크기의 구동전력이 필요한 문제점이 있다.
실시예들의 목적은 단순한 구조를 채용하며 동력 소모를 최소화하면서도 충분한 난방 및 가습을 할 수 있는 습기 및 열 교환기를 제공하는 데 있다.
실시예들의 다른 목적은 발전소에서 배출되는 온배수와 같은 저온의 열원을 활용하여 가습기능과 난방기능을 수행할 수 있는 습기 및 열교환기를 제공하는 데 있다.
실시예들의 또 다른 목적은 가습 난방 운전모드와 제습 냉방 운전모드를 선택적으로 수행할 수 있는 습기 및 열 교환기를 제공하는 데 있다.
일 실시예에 관한 습기 및 열 교환기는, 공기가 통과하는 제1 통로 및 제2 통로를 구비한 하우징과, 일부는 제1 통로의 공기를 통과시키며 공기에 습기를 가하고 다른 일부는 제2 통로의 공기를 통과시키며 공기 중의 습기를 제거하도록 하우징에 배치된 습기 교환기와, 내부에 열을 전달하는 매체가 흐르며 공기와 접촉하며 열을 교환하도록 하우징에 배치된 제1 열교환부와, 제1 열교환부에 인접하도록 하우징에 배치되어 제1 열교환부의 외측에 증발수를 공급하는 증발수 공급부를 구비한다.
하우징은 제1 통로와 제2 통로를 격리하는 격벽과 제1 통로에 공기를 전달하는 제1 통로입구와 제2 통로의 공기를 배출하는 제2 통로출구를 더 구비할 수 있다.
격벽은 제1 통로의 습기 교환기의 하류와 제2 통로의 습기 교환기의 상류를 연결하는 연결 통로를 구비할 수 있고, 제1 열교환부는 연결 통로에 배치될 수 있다.
습기 및 열 교환기는 제1 통로에서 습기 교환기의 상류에 배치되어 공기와 열을 교환하는 제2 열교환부를 더 구비할 수 있다.
격벽은 제1 통로의 습기 교환기의 하류와 제2 통로의 습기 교환기의 상류를 연결하는 연결 통로를 구비할 수 있고, 하우징은 습기 교환기의 가장자리를 지지하며 연결 통로를 둘러싸 챔버를 형성하는 내부 벽을 더 구비할 수 있으며, 제1 열교환부는 챔버에 배치될 수 있다.
증발수 공급부는 챔버에 배치되어 제1 열교환부의 외측에 증발수를 공급할 수 있다.
제1 열교환부는 제1 통로에서 습기 교환기의 하류와 제2 통로에서 습기 교환기의 상류의 사이에 위치할 수 있다.
하우징은 제1 통로의 공기를 배출하는 제1 통로출구와, 제2 통로로 공기를 전달하는 제2 통로입구를 더 구비할 수 있고, 제1 열교환부는 제2 통로에서 제2 통로입구와 습기 교환기의 사이에 배치될 수 있다.
증발수 공급부는 제2 통로에 배치되어 제1 열교환부의 외측에 증발수를 공급할 수 있다.
습기 및 열 교환기는 제1 통로에서 습기 교환기의 상류에 배치되어 공기와 열을 교환하는 제2 열교환부를 더 구비할 수 있다.
습기 교환기는 제1 통로와 제2 통로를 가로지르는 방향으로 회전하도록 격벽에 회전 가능하게 연결될 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예들에 관한 습기 및 열 교환기는, 습기 교환기와 제1 열교환부를 이용한 단순한 구성을 이용하여 동력 소모가 최소화되면서도 저온의 열원을 활용하여 효과적인 가습 및 난방 기능을 구현할 수 있다. 또한 하절기에는 열교환부에 냉열원을 제1 열교환부에 공급함으로써 제습 및 냉방 기능을 수행하는 습기 및 열 교환기를 구현할 수 있다.
또한 습기 교환기와 제1 열교환부를 이용한 습기 및 열 교환기에 의하면, 종래의 기술에 비교하여 섭씨 약 10도 이상 낮은 온도의, 저온 열원을 활용할 수 있다. 또한 습기 및 열 교환기에 유입되는 공기의 습도가 낮을수록 더 낮은 온도의 열원을 활용할 수 있으므로, 우리나라와 같은 동절기 습도가 낮은 대륙성 기후에서 장점을 발휘할 수 있다.
상술한 실시예에 관한 습기 및 열 교환기에서는 온열원의 온도가 낮아지므로 활용할 수 있는 열원의 범위가 크게 증가한다. 즉 종래 기술에서는 난방에 직접적으로 활용하기 어려웠던 발전소의 저온 배열이나, 저온의 지열, 지하수열 등을 효과적으로 활용할 수 있다.
또한 히트펌프의 응축기 배열을 활용하는 경우에는 응축온도를 종래의 기술에 비하여 섭씨 약 10도 이상 낮출 수 있다. 응축온도를 섭씨 10도 이상 낮추면, 히트펌프의 난방용량과 에너지 효율을 각각 약 20 내지 30% 향상시킬 수 있으므로, 히트펌프의 성능이 크게 향상된다.
도 1은 일 실시예에 관한 습기 및 열 교환기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 습기 및 열 교환기의 단면도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 습기 및 열 교환기의 작동에 의한 공기의 온도 및 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 다른 실시예에 관한 습기 및 열 교환기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 관한 습기 및 열 교환기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5의 습기 및 열 교환기의 일 작동예에 의한 공기의 온도 및 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 5의 습기 및 열 교환기의 다른 작동예에 의한 공기의 온도 및 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 또 다른 실시예에 관한 습기 및 열 교환기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 도 8의 습기 및 열 교환기의 작동에 의한 공기의 온도 및 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 또 다른 실시예에 관한 습기 및 열 교환기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 11은 도 10의 습기 및 열 교환기의 작동에 의한 공기의 온도 및 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 일 실시예에 관한 습기 및 열 교환기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 습기 및 열 교환기의 단면도이다.
도 1 및 2에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기는 공기가 통과하도록 내부가 빈(중공 형상)의 하우징(10)과, 하우징(10)에 회전하도록 배치된 습기 교환기(20)와, 공기와 접촉하며 열을 교환하도록 하우징(10)에 배치된 제1 열교환부(30)를 구비한다.
도 1에서 하우징(10)은 중공의 원통 형상으로 도시되지만, 실시예들은 이러한 하우징(10) 구성에 의해 한정되지 않는다. 하우징(10)은 예를 들어 단면이 정사각형의 가장자리를 가지며 내부가 빈 육면체의 형상으로 제작될 수도 있다.
하우징(10)은 공기가 통과하는 통로들인 제1 통로(11) 및 제2 통로(12)를 구비한다. 하우징(10)의 일측 단부에는 제1 통로(11)와 통하는 제1 통로입구(11a)와 제2 통로(12)와 통하는 제2 통로출구(12b)를 구비하는 좌측 커버(10c)가 결합된다. 하우징(10)의 타측 단부에는 우측 커버(10r)가 결합된다.
하우징(10)의 내부에는 하우징(10)의 길이 방향을 따라 연장하는 격벽(13)이 배치된다. 격벽(13)에 의해 하우징(10)의 제1 통로(11)와 제2 통로(12)가 서로 격리된다.
하우징(10)에 좌측 커버(10c)와 우측 커버(10r)가 결합된 상태에서, 하우징(10)의 외부의 공기가 제1 통로입구(11a)를 통하여 제1 통로(11)로 전달되고 하우징(10)의 제2 통로(12)의 공기가 제2 통로출구(12b)를 통하여 하우징(10)의 외부로 배출된다.
하우징(10)의 내부에는 제1 통로(11)와 제2 통로(12)를 가로지르는 방향, 즉 도 2에서 세로 방향으로 회전할 수 있는 습기 교환기(20)가 배치된다. 습기 교환기(20)가 하우징(10)에 대하여 회전하는 동안, 제1 통로(11)를 통과하는 습기 교환기(20)의 일부는 제1 통로(11)의 공기를 통과시키며 공기에 습기를 가하는 기능(가습 기능)을 수행한다. 또한 습기 교환기(20)가 회전하는 동안 제2 통로(12)를 통과하는 습기 교환기(20)의 다른 일부는 제2 통로(12)의 공기를 통과시키며 공기 중의 습기를 제거하는 기능(제습 기능)을 수행한다.
습기 교환기(20)는 수분을 흡수할 수 있는 흡습소재(22)를 포함한다. 예를 들어, 습기 교환기(20)의 흡습소재(22)는 실리카 겔(silica gel)을 이용하거나, 고분자 재료로 제조된 다공성의 고분자 제습재료를 이용하여 제조될 수 있다. 고분자 제습재료는 실리카겔에 비하여 흡습성능이 4배 이상에 달하여 습기 교환기(20)의 무게를 4분의 1의 수준으로 줄일 수 있으며, 항균/항곰팡이 특성을 가지고 있어서 습기 교환기(20)의 구현에 적합한 소재이다.
습기 교환기(20)의 흡습소재(22)가 소정량의 습기를 흡수한 이후에는 흡습소재(22)에 흡수된 습기를 배출함으로써 건조시키는 재생 작용이 필수적이다. 습기 교환기(20)는 흡습소재(22)의 습기 흡수 작용(제습 작용), 습기 배출 작용(재생 작용)이 자동적으로 이루어질 수 있도록 미리 정해진 회전 속도로 회전한다.
습기 교환기(20)는 외측 가장자리(21)가 원형을 이루는 원판 또는 원통 형상으로 제조될 수 있다. 습기 교환기(20)의 외측 가장자리(21)가 하우징(10)의 내측 벽면에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다. 따라서 습기 교환기(20)의 외측 가장자리(21)를 지지하는 하우징(10)의 내측 벽면은 원형의 단면을 가질 수 있다.
습기 교환기(20)는 회전축(23a)에 의해 격벽(13)에 회전 가능하게 설치된다. 구동부(23)가 회전축(23a)과 습기 교환기(20)를 회전시킬 수 있다.
도면에 도시된 실시예에서 습기 교환기(20)가 하우징(10)에 대하여 회전 가능하게 배치되지만, 실시예는 이와 같이 습기 교환기(20)를 회전 가능하게 배치한 구성에 의해 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 습기 교환기(20)가 하우징(10)에 대한 위치가 변경되지 않고 고정된 상태를 유지하도록 하우징(10)에 설치될 수 있다. 습기 교환기(20)가 하우징(10)에 대해 회전하지 않고 위치가 고정되도록 설치된 경우에 습기 교환기(20)가 공기의 습기를 제거하고 공기에 습기를 가하는 작동을 한 후에 습기 교환기(20)의 재생이 필요하면 습기 교환기(20)를 교체할 수 있다. 따라서 습기 교환기(20)는 하우징(10)으로부터 분리가 가능하도록 설치될 수 있다.
도 1에서 구동부(23)가 회전축(23a)에 직접 결합되는 것으로 도시되었으나, 실시예는 이와 같은 구동부(23)의 구현예에 의해 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 습기 교환기(20)의 외측면에 기어를 형성하고, 하우징(10)의 외벽면의 일부를 절개하여 하우징(10)의 외벽면을 통과하여 습기 교환기(20)의 외측면의 기어와 맞물리는 구동기어를 구동하는 구동부를 설치할 수도 있다.
격벽(13)은 제1 통로(11)에서 습기 교환기(20)의 하류와 제2 통로(12)에서 습기 교환기(20)의 상류를 연결하는 연결 통로(14)를 구비한다. 격벽(13)에 형성된 연결 통로(14)에 의해 제1 통로(11)에서 습기 교환기(20)의 하류와 제2 통로(12)에서 습기 교환기(20)의 상류가 연결되기 위하여, 제1 통로(11)와 제2 통로(12)는 서로에 대해 평행하게 연장하도록 형성된다.
제1 열교환부(30)는 열을 전달할 수 있는 금속성 소재로 제작되며, 내부에 열을 전달하는 매체가 흐를 수 있는 매체 전달관(31, 32)을 구비한다. 매체 전달관(31, 32)은 하우징(10)의 우측 커버(10r)의 전달관 구멍(17)을 통해 하우징(10)의 외측으로 노출될 수 있다. 하우징(10)의 외측으로 노출된 매체 전달관(31, 32)에 열을 전달하는 매체를 계속 공급할 수 있다.
제1 열교환부(30)에 공급되는 열전달 매체로는 가열된 상태의 저온수나 냉각된 상태의 냉각수를 사용할 수 있다. 저온수는 예를 들어 발전소에서 배출되는 저온의 온배수나, 지열이나 태양열에 의해 가열된 온수를 이용할 수 있다.
제1 열교환부(30)에 공급할 수 있는 냉각수에는 예를 들어 히트펌프가 포함된 응축기의 배열을 사용할 수 있다. 가정이나 산업현장에서 냉난방 목적으로 설치된 히트펌프는 고온 고압의 냉매를 배출하는 압축기가 포함되므로, 압축기로부터 배출된 냉매를 제1 열교환부(30)에 공급할 수 있다.
제1 열교환부(30)는 제1 열교환부(30)가 연결 통로(14)에 배치되었을 때 제1 통로(11)와 제2 통로(12)의 사이에 공기가 통과할 수 있게 하는 관통 구멍(35)을 구비한다.
도 2를 참조하면, 제1 통로(11)를 흐르는 공기는 습기 교환기(20)를 통과한 후 격벽(13)의 연결 통로(14)에 배치된 제1 열교환부(30)를 통과하여 제2 통로(12)로 흐른다. 제1 통로(11)의 공기가 제1 열교환부(30)를 통과하여 제2 통로(12)로 흐르는 동안, 공기는 제1 열교환부(30)의 표면과 접촉하면서 제1 열교환부(30)와 공기의 사이에 열교환 작용이 이루어진다.
하우징(10)에는 제1 열교환부(30)에 인접한 위치에서 제1 열교환부(30)의 외측에 증발수를 공급하는 증발수 공급부(40)가 배치된다. 증발수 공급부(40)는 하우징(10)의 우측 커버(10r)의 증발수 공급구멍(18)을 통해 외부에 노출된다. 증발수 공급부(40)에 외부로부터 증발수가 공급되면, 증발수 공급부(40)의 노즐(41)로부터 증발수가 분사된다.
증발수 공급부(40)에 의해 제1 열교환부(30)의 외측에 증발수가 공급되면 제1 열교환부(30)의 표면에 증발수가 도포된다. 제1 열교환부(30)의 내측에 고 온의 열매체가 흐르는 동안 제1 열교환부(30)의 표면에 도포된 증발수가 증발하므로, 제1 열교환부(30)와 접촉하며 가열되는 공기에 습기가 가해지는 가습 작용이 이루어진다.
하우징(10)에는 증발수 공급부(40)에 의해 공급된 후 하측으로 낙하는 증발수를 포집하는 저수조(90)가 설치된다.
도 3은 도 1 및 도 2의 습기 및 열 교환기의 작동에 의한 공기의 온도 및 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에 관한 습기 및 열 교환기가 가습 난방 운전모드를 수행하는 동안 습기 및 열 교환기를 통과한 공기의 습도 및 온도가 증가하는 효과를 얻을 수 있다.
가습 난방 운전모드에서는 제1 열교환부(30)에 가열된 상태의 열매체, 예를 들어 히트펌프 압축기 출구 냉매나 온수가 공급된다. 또한 동시에 증발수 공급부(40)에 의해 제1 열교환부(30)의 외측에 증발수가 공급된다.
하우징(10)의 제1 통로(11)에는 하우징(10)의 외부로부터 저온 건조 공기가 공급된다. 저온 건조 공기가 제1 통로(11)를 흐르며 습기 교환기(20)를 통과하는 동안 제1 통로(11)의 공기를 통과시키는 습기 교환기(20)의 일부분은 공기에 습기를 가한다. 제1 통로(11)에서 습기 교환기(20)를 통과하는 공기는 도 3에서 "습기 교환기 가습유로"로 표시된 선을 따라서 단열 과정을 거치며 온도가 낮아짐과 동시에 습도가 증가한다(가습된다).
습기 교환기(20)를 통과한 공기는 제1 열교환부(30)를 통과하면서 가열가습 작용을 거친다. 즉 공기는 도 3에서 "열교환기(가열가습)"으로 표시된 선을 따라서 가열됨과 동시에 가습된다. 공기는 제1 열교환부(30)와 접촉하면서 가열됨과 동시에 제1 열교환부(30)의 표면에서 증발하는 증발수에 의해 가습이 되는 것이다.
제2 통로(12)로 유입된 공기는 제2 통로(12)를 흐르며 습기 교환기(20)를 통과한다. 제2 통로(12)에서 공기를 통과시키는 습기 교환기(20)의 다른 일부분은 공기의 습기를 제거하는 제습 기능을 수행한다. 제2 통로(12)의 공기는 도 3에서 "습기 교환기 제습유로"로 표시된 선을 따라 단열 과정을 거치므로 공기 중의 습도가 감소하고 온도가 증가한다.
도 3의 그래프는 "습공기 선도"라고도 부르는데, 이러한 습공기 선도에서 난방 목적으로 공급할 수 있는 섭씨 35도의 공급 공기를 얻기 위해서는 이론적으로 35도 이상의 열원이 필요하다. 그러나 상술한 구성의 습기 및 열 교환기에 의하면 제1 열교환부(30)에 섭씨 25도의 낮은 온도의 열원을 이용하여 충분한 가열 효과를 얻을 수 있다. 이러한 특징은 습기 교환기(20)를 통과하는 공기의 가습 및 제습 과정이 단열 과정으로 이루어짐으로 인해 습도 변화와 함께 온도 변화가 수반되기 때문이다.
습기 교환기(20)와 제1 열교환부(30)를 함께 작동시킴으로써 섭씨 20도의 공기를 난방에 적합한 섭씨 35도의 공기로 가열하기 위해 필요한 열원의 온도가 낮아진다. 즉 제1 열교환부(30)에서 이루어지는 온도 변화의 범위는 섭씨 10도부터 25도이므로, 공기 가열을 위해 필요한 열원의 온도가 종래의 기술에 비해 섭씨 약10도 낮은 섭씨 25도로 낮아질 수 있다.
습기 및 열 교환기에 유입되는 공기의 습도가 낮을수록 온도가 낮아지는 정도가 증가하므로, 상술한 실시예에 관한 습기 및 열 교환기는 우리나라와 같이 동절기 습도가 낮은 대륙성 기후에서 큰 장점을 발휘할 수 있다.
공기를 가열하기 위한 열원의 온도가 낮아진다면, 활용할 수 있는 열원의 범위가 크게 증가한다. 종래에는 발전소에서 배출되는 저온의 배열이나, 지열, 지하수열을 난방 목적으로 활용하기가 어려웠으나, 상술한 실시예에 관한 습기 및 열 교환기에 의하면 버려지는 열원의 유용한 활용을 기대할 수 있다.
또한 상술한 바와 같은 구성의 습기 및 열 교환기에 의하면 습기 교환기(20)를 회전시키는 구동부(23)의 구동력만 필요하므로, 습기 및 열 교환기의 구동을 위한 동력 소모를 최소화할 수 있다. 또한 습기 교환기(20)의 제습 작용 및 가습 작용과 더불어 제1 열교환부(30)에 의한 가열 가습 작용을 이용하여 효과적인 가습 난방 효과를 얻을 수 있다. 제1 열교환부(30)에 공급되는 온수로는 발전소 등에서 배출되는 저온의 온배수나, 지열이나 태양열로 가열된 온수를 이용할 수 있으므로, 버려지는 열에너지를 활용성도 크게 향상된다.
도 4는 다른 실시예에 관한 습기 및 열 교환기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기는 공기가 통과하는 제1 통로(11) 및 제2 통로(12)를 구비한 하우징(10)과, 하우징(10)에 회전하도록 배치된 습기 교환기(20)와, 공기와 접촉하며 열을 교환하도록 하우징(10)에 배치된 제1 열교환부(130)를 구비한다.
하우징(10)은 제1 통로(11)와 제2 통로(12)를 격리시키는 격벽(13)을 구비한다. 격벽(13)은 제1 통로(11)에서 습기 교환기(20)의 하류와 제2 통로(12)에서 습기 교환기(20)의 상류를 연결하는 연결 통로(14)를 구비한다.
하우징(10)에는 습기 교환기(20)의 가장자리를 지지하며 연결 통로(14)를 둘러싸 챔버를 형성하는 내부 벽(13b)이 배치된다. 제1 열교환부(130)와 증발수 공급부(140)는 내부 벽(13b)에 의해 둘러싸여 형성되는 챔버의 내부에 배치된다.
도 4에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기는 도 1 내지 도 3에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기와 동일한 가습 난방 운전 모드를 수행할 수 있다. 그러나 하우징(10)의 구조 및 습기 교환기(20)의 배치 방향을 변경함으로써 습기 및 열 교환기의 전체적인 디자인을 컴팩트하게 설계할 수 있으며, 이러한 컴팩트한 디자인의 습기 및 열 교환기를 공기조화기에 일부 모듈로 삽입할 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 관한 습기 및 열 교환기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 6은 도 5의 습기 및 열 교환기의 일 작동예에 의한 공기의 온도 및 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기는 공기가 통과하는 제1 통로(11) 및 제2 통로(12)를 구비한 하우징(10)과, 하우징(10)에 회전하도록 배치된 습기 교환기(20)와, 공기와 접촉하며 열을 교환하도록 하우징(10)에 배치된 제1 열교환부(30)와, 제1 열교환부(30)의 외측에 증발수를 공급하는 증발수 공급부(40)와, 제1 통로(11)에서 습기 교환기(20)의 상류에 배치되어 공기와 접촉하며 열을 교환하는 제2 열교환부(50)를 구비한다.
도 5에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기의 전체적인 구성은 도 1 내지 도 3에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기와 유사하며, 제1 통로(11)에서 습기 교환기(20)의 상류에 배치된 제2 열교환부(50)가 변형된 부분이다.
제1 열교환부(30)와 같이 제2 열교환부(50)의 내부에는 열을 전달하는 매체가 흐를 수 있다. 따라서 제2 열교환부(50)를 통과하는 공기는 제2 열교환부(50)와 접촉함으로써 열을 전달받아 가열될 수 있다.
제2 열교환부(50)는 제1 통로(11)로 유입되는 공기의 습도가 충분히 낮지 않은 경우에 대응하도록 설치된다.
제1 통로(11)로 유입되는 저온 건조 공기의 습도가 충분히 낮지 않은 경우에는, 제1 통로(11)의 공기가 습기 교환기(20)로 진입하기 이전에 제2 열교환부(50)에 의해 공기를 가열한다. 도 6을 참조하면, 제2 열교환부(50)를 통과하는 공기는 "예열"로 표시된 선도를 따라 가열된다. 공기가 제2 열교환부(50)를 통과하며 가열되는 동안 온도는 상승하고 절대 습도는 변화하지 않으므로, 공기의 상대습도가 낮아진다.
제2 열교환부(50)를 통과하며 예열된 공기는 제1 통로(11)에서 습기 교환기(20)로 유입되어, 도 6의 "열교환기(가열가습)"으로 표시된 선을 따라 가열 가습 작용을 거친다. 제2 열교환부(50)를 통과하며 예열된 공기의 상대습도가 낮아짐에 따라, 제1 통로(11)에서 습기 교환기(20)를 통과하며 가습되는 공기의 온도 감소폭이 증가할 수 있다. 이로 인해 제2 통로(12)로 유입된 공기가 습기 교환기(20)를 통과하며 제습될 때에 온도 상승폭이 커진다.
상술한 바와 같은 구성의 습기 및 열 교환기에 의하면, 하우징(10)으로 유입되는 공기의 습도가 충분히 낮지 않은 경우에도, 공기의 예열을 통해 상대습도를 낮춤으로써 저온 열원을 이용하여 난방에 적합한 온도의 공기를 얻을 수 있다.
도 7은 도 5의 습기 및 열 교환기의 다른 작동예에 의한 공기의 온도 및 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7에 나타나는 작동예는 하우징(10)의 제1 통로(11)로 저온의 실외공기를 유입시키는 예에 해당한다. 저온의 실외공기를 하우징(10)의 제1 통로(11)로 유입시킬 때에 실외공기의 온도가 매우 낮은 경우, 제2 열교환부(50)를 이용하여 공기가 미리 가열된 후 습기 교환기(20)를 통과한다.
제2 열교환부(50)를 통과하는 동안 공기의 온도가 상승하지만 절대습도가 변하지 않으므로, 공기의 상대습도가 낮아진다.
제1 통로(11)에서 습기 교환기(20)로 유입되는 공기의 상대습도가 낮아지면, 도 7에 도시된 바와 같이 습기 교환기(20)를 통과하는 공기의 온도가 감소하는 폭이 증가한다. 이로 인해 제2 통로(12)에서 공기가 습기 교환기(20)를 통과하며 제습되는 동안 온도가 상승하는 폭이 증가한다.
따라서 실외공기를 제1 통로(11)로 유입시켜서 가습 및 가열 운전을 실시할 경우에는, 제2 열교환부(50)를 이용하여 공기를 가열함으로써 저온 열원을 사용하여 난방에 적합한 온도의 공기를 얻을 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 관한 습기 및 열 교환기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 9는 도 8의 습기 및 열 교환기의 작동에 의한 공기의 온도 및 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기는 공기가 통과하는 제1 통로(311) 및 제2 통로(312)를 구비한 하우징(310)과, 하우징(310)에 회전하도록 배치된 습기 교환기(320)와, 공기와 접촉하며 열을 교환하도록 하우징(310)에 배치된 제1 열교환부(330)와, 제1 열교환부(330)의 외측에 증발수를 공급하는 증발수 공급부(340)와, 제1 통로(311)에서 습기 교환기(320)의 상류에 배치되어 공기와 접촉하며 열을 교환하는 제2 열교환부(350)를 구비한다.
도 8에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기의 전체적인 구성은 도 1 내지 도 3에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기와 유사하지만, 제1 통로(311)에서 습기 교환기(320)의 상류에 제2 열교환부(350)가 배치되고, 격벽(313)에 의해 제1 통로(311)와 제2 통로(312)가 서로 완전히 격리되도록 변형되었다. 즉 격벽(313)에는 제1 통로(311)와 제2 통로(312)를 연결시키기 위한 통로가 형성되지 않으며, 하우징(310)은 제1 통로(311)의 공기를 배출하는 제1 통로출구(311b)와 제2 통로(312)로 공기를 전달하는 제2 통로입구(312a)를 구비한다.
또한 제1 열교환부(330)는 제2 통로(312)에서 제2 통로입구(312a)와 습기 교환기(320)의 사이에 배치된다. 증발수 공급부(340)도 제2 통로(312)에서 제1 열교환부(330)에 인접한 위치에 배치된다.
도 1 내지 도 3에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기를 사용할 때에 실내공기의 습도가 높아서 습기 교환기의 승온 효과를 충분히 기대하기 어려운 경우에, 도 8에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기를 적용할 수 있다.
하우징(310)의 내부에서 제1 통로(311)와 제2 통로(312)는 격벽(313)에 의해 서로 격리된 상태가 되어 각각 독립된 유로를 형성한다. 따라서 실내리턴 공기(실내 공간에서 하우징의 제2 통로입구(312a)로 유입되는 공기)는 습기 교환기(320)를 통과하며 제습 작용을 거친 후 제2 통로 출구(312b)를 통해 하우징(310)의 외부로 배출되며 실내 공간으로 공급된다(실내 급기).
제1 통로(311)에서 습기 교환기(320)의 상류에 배치된 제2 열교환부(350)는, 제1 통로(311)의 제1 통로 입구(311a)를 통해 실외에서 유입되는 실외 공기를 가열하는 기능을 수행한다. 저온의 건조한 실외 공기는 제2 열교환부(350)에 의해 가열된 후에 습기 교환기(320)를 통과하며 가습 작용을 거친다. 도 9를 참조하면, 실외 공기가 습기 교환기(320)를 통과하며 단열 가습 작용에 의해 습도가 증가하며 온도가 감소한다.
제1 통로(311)에 위치하는 습기 교환기(320)의 일부분에서 이루어지는 단열 가습 작용에 의해 공기가 큰 온도 감소폭으로 온도가 감소하므로, 제2 통로(312)에 위치하는 습기 교환기(320)의 다른 부분에서 이루어지는 단열 제습 작용에서도 큰 온도 증가폭에 의해 공기의 온도가 증가할 수 있다. 도 9를 참조하면, 실내리턴 공기는 제2 통로입구(312a)를 통해 제2 통로(312)로 유입된 후에, 제1 열교환부(330)와 증발수 공급부(340)에 의해 가열되며 가습된다.
제1 열교환부(330)와 증발수 공급부(340)에 의해 가열 및 가습된 공기는 습기 교환기(320)를 통과하며 단열 제습 작용을 거친다. 도 9에 나타나는 바와 같이 실내 급기 공기는 섭씨 약 25도에서 섭씨 약 39도까지 가열되므로, 난방에 적합한 온도와 습도를 갖는 실내 급기를 얻을 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 관한 습기 및 열 교환기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 10에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기는 공기가 통과하는 제1 통로(211) 및 제2 통로(212)를 구비한 하우징(210)과, 하우징(210)에 회전하도록 배치된 습기 교환기(220)와, 공기와 접촉하며 열을 교환하도록 하우징(210)에 배치된 제1 열교환부(230)를 구비한다.
도 10에 나타난 실시예에 관한 습기 및 열 교환기는 하절기에 냉각제습 운전모드를 수행할 수 있다.
제1 열교환부(230)에는 냉열원이 공급된다. 냉열원으로는 히트펌프의 증발기 측 저온 냉매가 사용될 수 있다. 예를 들어 가정이나 산업현장에서 냉난방의 목적으로 설치된 히트펌프의 증발기 유입 냉매를 제1 열교환부(230)로 공급할 수 있다.
제1 열교환부(230)는 하우징(210)의 제1 통로(211)와 제2 통로(212)를 격리시키는 격벽(213)에 형성된 연결 통로(214)에 배치된다. 제1 통로(211)의 제1 통로입구(211a)를 통해 제1 통로(211)로 유입되어 습기 교환기(220)를 통과한 공기는 제1 열교환부(230)를 통과하며 제2 통로(212)로 흐를 수 있다.
하우징(310)의 내부에서 제1 열교환부(230)의 하부에는 공기가 제1 열교환부(230)를 통과하며 냉각되는 동안 제1 열교환부(230)의 표면에 맺혀 떨어지는 물방울을 포집하는 저수조(290)가 설치된다.
상술한 실시예들과는 달리 제1 열교환부(230)의 외측 표면에 증발수가 분사되지 않는다. 도 10에 나타난 실시예에서는 도 1 내지 도 3에 나타난 실시예와 같이 제1 열교환부(230)에 인접한 위치에 증발수 공급부를 설치한 동일한 구성을 채용하되 냉각제습 운전모드를 실행하는 경우에는 증발수 공급부의 운전을 중지하는 방법을 이용한다.
도 11은 도 10의 습기 및 열 교환기의 작동에 의한 공기의 온도 및 습도의 변화를 나타낸 그래프이다.
제1 통로입구(211a)를 통해 제1 통로(211)로 유입된 고온 다습한 공기는 습기 교환기(220)를 통과하며 도 11에서 "습기 교환기 가습부"로 표시된 선을 따라 단열 가습 작용을 거친다. 단열 가습 작용으로 인해 공기의 온도는 낮아진다.
가습되며 온도가 낮아진 공기는 제1 열교환부(230)를 통과하며 도 9에서 "열교환기(냉각제습)"으로 표시된 선도를 따라 제습되며 냉각된다.
제1 열교환부(230)에 의해 냉각 제습된 공기는 습기 교환기(220)를 통과하며 도 9에서 "습기 교환기 제습부"로 표시된 선도를 따라 단열 제습 작용을 거친다. 단열 제습 작용에 의해 가열되며 습도가 감소된 저온 건조 공기는 제2 통로(212)의 제2 통로출구(212b)를 통해 하우징(210)의 외부로 배출된다.
종래의 냉각 제습기에서는 저습도의 공기를 얻기 위하여 공기 온도가 낮아지는 단점이 있다. 그러나 상술한 바와 같은 구성의 습기 및 열 교환기에 의하면 종래의 냉각 제습기에 비하여 동일한 온도의 냉열원을 이용하여 더욱 낮은 습도의 공기를 얻을 수 있다.
상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10r: 우측 커버 20, 220, 320: 습기 교환기
10c: 좌측 커버 21: 외측 가장자리
10, 210, 310: 하우징 22: 흡습소재
11, 211, 311: 제1 통로 23: 구동부
11a, 211a, 311a: 제1 통로 입구 23a: 회전축
12, 212, 312: 제2 통로 30, 130, 230, 330: 제1 열교환부
312a: 제2 통로입구 35: 관통 구멍
12b, 212b, 312b: 제2 통로 출구 40: 증발수 공급부
13, 213, 313: 격벽 50, 350: 제2 열교환부
13b: 내부 벽 31, 32: 매체 전달관
14, 214: 연결 통로 90, 290: 저수조
17: 전달관 구멍 140, 340: 증발수 공급부

Claims (11)

  1. 공기가 통과하는 제1 통로 및 제2 통로를 구비한 하우징;
    일부는 상기 제1 통로의 공기를 통과시키며 공기에 습기를 가하고, 다른 일부는 상기 제2 통로의 공기를 통과시키며 공기 중의 습기를 제거하도록 상기 하우징에 배치된 습기 교환기;
    내부에 열을 전달하는 매체가 흐르며 공기와 접촉하며 열을 교환하도록 상기 하우징에 배치된 제1 열교환부; 및
    상기 제1 열교환부에 인접하도록 상기 하우징에 배치되어 상기 제1 열교환부의 외측에 증발수를 공급하는 증발수 공급부;를 구비하는, 습기 및 열 교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 제1 통로와 상기 제2 통로를 격리하는 격벽과 상기 제1 통로에 공기를 전달하는 제1 통로입구와 상기 제2 통로의 공기를 배출하는 제2 통로출구를 더 구비하는, 습기 및 열 교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 제1 통로의 상기 습기 교환기의 하류와 상기 제2 통로의 상기 습기 교환기의 상류를 연결하는 연결 통로를 구비하고, 상기 제1 열교환부는 상기 연결 통로에 배치된, 습기 및 열 교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 통로에서 상기 습기 교환기의 상류에 배치되어 공기와 열을 교환하는 제2 열교환부를 더 구비하는, 습기 및 열 교환기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 제1 통로의 상기 습기 교환기의 하류와 상기 제2 통로의 상기 습기 교환기의 상류를 연결하는 연결 통로를 구비하고, 상기 하우징은 상기 습기 교환기의 가장자리를 지지하며 상기 연결 통로를 둘러싸 챔버를 형성하는 내부 벽을 더 구비하며, 상기 제1 열교환부는 상기 챔버에 배치된, 습기 및 열 교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 증발수 공급부는 상기 챔버에 배치되어 상기 제1 열교환부의 외측에 증발수를 공급하는, 습기 및 열 교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환부는 상기 제1 통로에서 상기 습기 교환기의 하류와 상기 제2 통로에서 상기 습기 교환기의 상류의 사이에 위치하는, 습기 및 열 교환기.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 제1 통로의 공기를 배출하는 제1 통로출구와, 상기 제2 통로로 공기를 전달하는 제2 통로입구를 더 구비하고,
    상기 제1 열교환부는 상기 제2 통로에서 상기 제2 통로입구와 상기 습기 교환기의 사이에 배치된, 습기 및 열 교환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 증발수 공급부는 상기 제2 통로에 배치되어 상기 제1 열교환부의 외측에 증발수를 공급하는, 습기 및 열 교환기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 통로에서 상기 습기 교환기의 상류에 배치되어 공기와 열을 교환하는 제2 열교환부를 더 구비하는, 습기 및 열 교환기.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 습기 교환기는 상기 제1 통로와 상기 제2 통로를 가로지르는 방향으로 회전하도록 상기 격벽에 회전 가능하게 연결된, 습기 및 열 교환기.
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