KR20200134517A

KR20200134517A - 그래핀을 이용한 공기정화 기능을 가진 전열교환기

Info

Publication number: KR20200134517A
Application number: KR1020190060058A
Authority: KR
Inventors: 김시환; 이두철
Original assignee: 김시환; 이두철
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2020-12-02

Abstract

본 발명은 그래핀을 이용한 공기정화 기능을 가진 전열교환기에 관한 것으로서, 실외측에 배기구와 외기구가 형성되고, 실내측에 급기구와 환기구가 형성되며, 내부에 상기 외기구로 유입되어 상기 급기구로 배출되는 외기와 상기 환기구로 유입되어 상기 배기구로 배출되는 내기가 교차하는 전열공간이 형성되고, 상기 환기구를 통하여 상기 전열공간으로 유입되는 내기를 상기 급기구를 통하여 실내측으로 배출하기 위한 순환경로가 형성되는 케이싱 ; 상기 전열공간에 마련되어 내기와 외기의 열교환이 이루어지도록 하는 그래핀이 첨가된 전열교환소자 ; 상기 배기구를 통하여 내기를 실외측으로 배출하기 위한 배기구용 송풍팬 ; 상기 급기구를 통하여 내기 또는 외기를 실내측으로 배출하기 위한 급기구용 송풍팬 ; 상기 외기구를 개폐하기 위한 외기구용 전동댐퍼 ; 상기 순환경로를 개폐하기 위한 순환경로용 전동댐퍼 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

그래핀을 이용한 공기정화 기능을 가진 전열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 전열교환기에 관한 것으로서, 실내에서 실외로 배출되는 내기와 실외에서 실내로 유입되는 외기의 열교환이 이루어지도록 하여 실내의 냉난방 에너지가 실외로 버려지지 않으면서 환기가 이루어지도록 하는 그래핀을 이용한 공기정화 기능을 가진 전열교환기에 관한 것이다.

통상적으로 소형 아파트나 주택 등과 같은 건축물에는 실내의 공기를 환기시키기 위한 환기장치가 별도로 시공되어 있지 않다. 따라서 거실 등의 창문을 개방하여 환기를 실시하게 된다.

그러나 이와 같이 창문을 개방하여 실내를 환기시키면, 외부의 공기가 실내로 빠르게 유입되고 실내의 공기가 외부로 빠르게 유출되어 실내의 냉난방 에너지를 빼앗기게 된다.

이와 같은 문제점은 전열교환기를 설치함으로써 쉽게 해결할 수 있다. 전열교환기는 실외에서 실내로 유입되는 공기와 실내에서 실외로 배출되는 공기의 열에너지를 교환하여, 실내의 온도가 일정하게 유지되도록 하면서 실외의 신선한 공기를 실내로 순환시킬 수 있도록 하는 장치이다.

전열교환기는 일반적으로 내기와 외기가 교차하여 흐르도록 마련되는 케이싱과, 내기와 외기의 교차 지점에 마련되어 열교환이 이루어지도록 하는 전열교환소자로 이루어진다. 전열교환소자는 내기와 외기가 서로 교차하여 독립적으로 흐르도록 하면서 이와 동시에 내기와 외기의 열에너지가 교환되도록 한다.

전열교환기의 성능은 전열교환소자의 열교환 효율에 따라서 결정된다. 일반적으로 널리 알려진 전열교환소자는 전열막지(Energy recovery paper)라고 불리는 종이 소재로 제작되며, 전열막지에 의한 내기와 외기의 열교환 효율은 약 70% 정도이다. 즉, 약 30%의 열에너지는 교환되지 않고 외부로 배출되어 버려지는 것이다.

대한민국 등록특허 제10-0592710호 "전열교환기" (2006.6.16.등록)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 종래보다 열교환 효율이 향상된 전열교환기를 제시하고자 한다.

아울러 외기를 실내로 공급하여 환기가 이루어지도록 하거나 내기를 자체적으로 순환시킬 수 있도록 하며, 이 과정에서 오염된 공기를 정화하여 내기를 청정한 상태로 유지할 수 있도록 하는 전열교환기를 제시하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 실외측에 배기구와 외기구가 형성되고, 실내측에 급기구와 환기구가 형성되며, 내부에 상기 외기구로 유입되어 상기 급기구로 배출되는 외기와 상기 환기구로 유입되어 상기 배기구로 배출되는 내기가 교차하는 전열공간이 형성되고, 상기 환기구를 통하여 상기 전열공간으로 유입되는 내기를 상기 급기구를 통하여 실내측으로 배출하기 위한 순환경로가 형성되는 케이싱 ; 상기 전열공간에 마련되어 내기와 외기의 열교환이 이루어지도록 하는 그래핀이 첨가된 전열교환소자 ; 상기 배기구를 통하여 내기를 실외측으로 배출하기 위한 배기구용 송풍팬 ; 상기 급기구를 통하여 내기 또는 외기를 실내측으로 배출하기 위한 급기구용 송풍팬 ; 상기 외기구를 개폐하기 위한 외기구용 전동댐퍼 ; 상기 순환경로를 개폐하기 위한 순환경로용 전동댐퍼 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 외기구와 상기 전열공간의 사이에는 상기 외기구를 통하여 상기 전열공간으로 유입되는 외기를 여과하기 위하여 그래핀 소재가 첨가된 그래핀 첨가 환기필터가 마련되며, 상기 순환경로에는 상기 환기구를 통하여 상기 순한경로로 유입되는 내기를 여과하기 위하여 그래핀 소재가 첨가된 그래핀 첨가 순환필터가 마련되는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 급기구에는 중공관 형태의 관체, 상기 관체의 내부에 마련되는 그래핀이 첨가된 정화소자, 상기 정화소자에 자외선을 조사하기 위한 자외선 램프를 포함하여 이루어지는 공기정화기가 더 마련되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 본 발명에 의한 전열교환기는, 그래핀이 첨가된 전열교환소자를 채용하여 내기와 외기의 열교환 효율이 높아 버려지는 열에너지의 양을 최소화할 수 있으며, 이를 통하여 냉난방 비용을 절감할 수 있다.

아울러 전열교환기의 내부에 마련되는 그래핀 첨가 환기필터와 그래핀 첨가 순환필터에 의하여 실외에서 실내로 유입되는 외기 또는 실내를 순환하는 내기에서 오염물질이 효과적으로 제거되므로 실내를 청정한 상태로 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 의한 전열교환기의 환기모드 상태를 도시한 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시례에 의한 전열교환기의 순환모드 상태를 도시한 개념도,
도 3은 본 발명의 일 실시례에 의한 전열교환기의 급기구에 공기정화기가 더 마련되는 상태를 도시한 개념도.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시례를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시례에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 의한 전열교환기의 환기모드 상태를 도시한 개념도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시례에 의한 전열교환기의 순환모드 상태를 도시한 개념도이다.

케이싱(100)이 마련된다. 케이싱(100)은 실시례에 따라서 다양한 형태로 제작될 수 있다.

케이싱(100)은 실외측에 배기구(110)와 외기구(120)가 형성되고, 실내측에 급기구(130)와 환기구(140)가 형성되는 사각 박스 형태이다.

케이싱(100)의 내부에는 외기구(120)로 유입되어 급기구(130)로 배출되는 외기와 환기구(140)로 유입되어 배기구(110)로 배출되는 내기가 교차하는 전열공간(101)이 형성된다. 아울러 환기구(140)를 통하여 전열공간(101)으로 유입되는 내기를 다시 급기구(130)를 통하여 실내측으로 배출하기 위한 순환경로(102)가 형성되어 있다.

내기와 외기는 케이싱(100)의 전열공간(101)을 'X'자로 교차하여 지나가게 된다. 전열공간(101)에는 전열공간(101)을 교차하여 지나가는 내기와 외기가 서로 섞이지 않고 완전히 분리된 상태에서 열교환이 이루어지도록 하기 위한 전열교환소자(200)가 마련된다.

전열교환소자(200)는 전열막지(Energy recovery paper)를 적층하여 내기와 외기가 서로 교차하여 지나갈 수 있도록 형성된다. 전열교환소자(200)의 형태는 케이싱(100)의 배기구(110), 외기구(120), 급기구(130), 환기구(140)의 배치 형태에 따라서 달라질 수 있다. 본 실시례의 전열교환소자(200)는 전열막지를 적층하여 사류형(diamond type)으로 제작된다.

전열막지를 적층하여 제작되는 전열교환소자(200)는 종래의 기술로 널리 알려져 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

본 실시례의 전열교환소자(200)는 그래핀(Graphene)을 첨가하여 제작된다. 즉, 전열교환소자(200)를 제작하기 위한 전열막지에 함침 방식으로 그래핀이 첨가되는 것이다.

그래핀은 탄소원자가 벌집 구조로 배치된 구조를 갖는 물리적, 화학적으로 매우 안정적인 소재로서, 열전도도는 다이아몬드의 2배, 강도는 다이아몬드의 2배(강철의 200배), 전기전도도는 구리의 100배, 전하이동도는 구리의 150배, 비표면적은 2630㎡/g이다.

즉, 그래핀은 열전도율이 높고 물리적 특성이 매우 뛰어나 그래핀이 첨가된 전열막지를 이용하여 전열교환소자(200)를 제작하면 종래의 70%의 열교환 효율을 90%까지 높일 수 있다.

케이싱(100)에는 배기구용 송풍팬(300)과 급기구용 송풍팬(400)이 각각 마련된다.

배기구용 송풍팬(300)은 케이싱(100)의 배기구(110)에 마련된다. 배기구용 송풍팬(300)은 케이싱(100)의 내부로 유입된 내기를 배기구(110)를 통하여 실외측으로 배출할 수 있도록 한다.

급기구용 송풍팬(400)은 케이싱(100)의 급기구(130)에 마련된다. 급기구용 송풍팬(400)은 케이싱(100)의 내부로 유입된 외기 또는 내기를 급기구(130)를 통하여 실내측으로 배출할 수 있도록 한다.

본 실시례의 배기구용 송풍팬(300)과 급기구용 송풍팬(400)은 종래에 널리 사용되는 시로코팬이다.

본 실시례의 전열교환기는 두 가지 모드로 사용될 수 있다. 첫 번째는 외기를 실내측으로 공급하여 실내 공기를 환기시키기 위한 환기모드이고, 두 번째는 외기의 유입을 차단한 상태로 내기를 전열교환기의 내부로 유입시켜 여과하고 다시 실내측으로 공급하는 순환모드이다.

이를 위하여 케이싱(100)의 내부에는 모드 변경에 따라 내기 및 외기의 유동 경로를 변경하기 위한 전동댐퍼가 마련된다. 전동댐퍼는 개폐동작을 통하여 내기 또는 외기의 흐름을 제어하는 개폐장치이다.

외기구(120)에는 외기구(120)를 개폐하여 외기의 유입을 제어하기 위한 외기구용 전동댐퍼(500)가 마련된다. 그리고 순환경로(102)에는 순환경로(102)를 통한 내기의 실외측 배출을 제어하고 다시 실내측으로 유동시키기 순환경로용 전동댐퍼(600)가 마련된다.

외기구용 전동댐퍼(500)와 순환경로용 전동댐퍼(600), 그리고 급기구용 송풍팬(400)과 배기구용 송풍팬(300)을 제어하면 본 전열교환기를 환기모드 또는 순환모드로 작동하도록 할 수 있다.

실시례에 따라서 배기구(110), 급기구(130), 환기구(140)에도 이들을 개별적으로 개폐하기 위한 전동댐퍼가 마련될 수 있다. 그러나 본 실시례에서는 외기구용 전동댐퍼(500)와 순환경로용 전동댐퍼(600)에 대해서만 설명하며, 다른 부위에 마련되는 전동댐퍼에 대해서는 설명을 생략하도록 한다.

케이싱(100)의 내부에는 그래핀 첨가 환기필터(700)와 그래핀 첨가 순환필터(800)가 마련된다. 그래핀 첨가 환기필터(700)와 그래핀 첨가 순환필터(800)는 내기 및 외기의 오염물질이나 미세먼지 등을 여과하기 위한 것이다. 본 실시례의 그래핀 첨가 환기필터(700)와 그래핀 첨가 순환필터(800)는 통상의 필터에 그래핀 소재가 첨가된 필터이다.

그래핀 첨가 환기필터(700)는 본 전열교환기가 환기모드로 작동하는 동안 외기구(120)를 통하여 전열공간(101)으로 유입되는 외기를 여과하기 위한 것으로서, 외기구(120)와 전열공간(101)의 사이에 마련된다.

그래핀 첨가 순환필터(800)는 본 전열교환기가 순환모드로 작동하는 동안 환기구(140)를 통하여 전열교환기의 내부로 유입되는 내기를 여과하기 위한 것으로서, 순환경로(102)의 순환경로용 전동댐퍼(600) 후단에 마련된다.

그래핀 첨가 환기필터(700)는 본 전열교환기가 환기모드로 작동하는 동안에만 외기를 여과하며, 그래핀 첨가 순환필터(800)는 본 전열교환기가 순환모드로 작동하는 동안에만 내기를 여과한다.

본 발명의 일 실시례에 의한 전열교환기의 두 가지 모드에 따른 작동 상태를 설명하도록 한다.

실내의 이산화탄소 농도가 높을 경우, 높은 이산화탄소 농도의 내기를 실외로 내보내고 맑은 공기를 실외에서 실내로 유입시켜 환기를 실시해야 한다. 이 경우 본 전열교환기는 환기모드로 작동된다.

환기모드는 외기구용 전동댐퍼(500)를 작동하여 외기구(120)를 개방하고, 순환경로용 전동댐퍼(600)를 작동하여 순환경로(102)를 폐쇄하고, 배기구용 송풍팬(300)과 급기구용 송풍팬(400)을 작동시킨 상태이다.

본 전열교환기가 환기모드로 작동되는 동안 외기는 외기구(120)를 통하여 케이싱(100)의 내부로 유입되어 전열공간(101)과 급기구(130)를 거쳐 실내측으로 배출되고, 내기는 환기구(140)를 통하여 케이싱(100)의 내부로 유입되어 전열공간(101)과 배기구(110)를 거쳐 실외측으로 배출된다.

앞서 언급한 바와 같이 외기와 내기는 모두 케이싱(100) 내부의 전열공간(101)을 거쳐서 지나가게 된다. 전열공간(101)은 통과하는 내기와 외기는 전열공간(101)에 마련되는 전열교환소자(200)에 의하여 열교환이 이루어지게 된다.

만약 난방중이라면 열에너지가 내기에서 외기로 이동되어 실내측으로 유입되는 외기의 온도가 상승되고 외부로 배출되는 내기의 온도가 하강하게 된다.

반대로 냉방중이라면 열에너지가 외기에서 내기로 이동되어 실외측으로 배출되는 내기의 온도가 상승되고 실내로 유입되는 외기의 온도가 하강하게 된다.

본 전열교환기가 환기모드로 작동되는 동안에는 실외측에서 실내측으로 유입되는 외기가 그래핀 첨가 환기필터(700)에 의하여 정화된다.

실내의 이산화탄소가 높지 않아 외기를 유입시켜 환기할 필요는 없으나 실내 공기의 다른 오염도가 높은 때는 본 전열교환기를 순환모드로 작동되도록 한다.

순환모드는 외기구용 전동댐퍼(500)를 작동시켜 외기구(120)를 폐쇄하고 배기구용 송풍팬(300)의 가동을 중단하고 급기구용 송풍팬(400)만 가동되도록 하고, 순환경로용 전동댐퍼(600)를 작동시켜 순환경로(102)를 개방한 상태이다.

순환모드로 작동되는 동안 환기구(140)를 통하여 케이싱(100)의 내부로 유입된 내기는 배기구(110)를 통하여 실외측으로 배출되지 않고 순환경로(102)를 따라서 실내로 다시 배출된다.

내기는 순환경로(102)를 통과하는 동안 그래핀 첨가 순환필터(800)를 통과하며 공기 중의 이물질이 여과된다.

순환모드로 작동되는 동안 내기는 전열교환소자(200)에서 외기와 열교환이 이루어지지 않으므로, 내기의 열에너지는 다시 그대로 실내로 이동된다. 즉, 열손실이 전혀 일어나지 않은 상태로 실내 공기만 여과된다.

도 3은 본 발명의 일 실시례에 의한 전열교환기의 급기구에 공기정화기가 더 마련되는 상태를 도시한 개념도이다.

한편, 급기구(130)에는 급기구(130)를 통하여 실내측으로 배출되는 내기 및 외기를 광촉매의 살균력을 이용하여 정화하기 위한 공기정화기(900)가 더 마련된다.

본 실시례의 공기정화기(900)는 중공관 형태로 마련되어 급기구(130)의 후단에 결합되는 관체(910)와, 관체의 내부에 마련되는 그래핀이 첨가된 산화타이타늄(TiO2) 소재의 정화소자(920), 그리고 정화소자(920)에 자외선을 조사하여 광촉매 반응을 활성화시키기 위한 자외선 램프(930)를 포함하여 이루어진다.

촉매란 화학반응에서 자신은 변화하지 않고 반응속도만 증가시키거나 반응을 활성화하는 역할을 한다. 광촉매란 빛에너지를 이용하여 촉매반응이 활성화되는 물질을 의미한다.

광촉매로 작용하는 다양한 물질들 중 산화타이타늄은 빛을 흡수하여 촉매반응이 활성화되면서도 자신의 상태는 그대로 유지되므로 반영구적인 사용이 가능하다. 아울러 생물학적, 화학적으로 매우 안정하며, 활성산소를 생성하여 공기 중의 이물질이나 세균, 박테리아 등을 살균하는 능력이 매우 뛰어나므로 공기정화기(900)의 정화소자(920) 소재로 적합하다.

본원발명의 정화소자(920)는 이와 같은 산화타이타늄 소재에 그래핀이 첨가된 광촉매이다. 본 정화소자(920)는 관체(910)의 길이방향으로 연장되어 형성되는 스크루 형태이며, 스크루 형태의 정화소자(920) 표면에 그래핀이 코팅되어 있다.

그래핀이 첨가된 본 정화소자(920)는 특정 자외선 파장에서만 광촉매 반응이 활성화되는 것이 아니라, 종래보다 더 넓은 파장 영역에서 광촉매 반응이 활성화된다. 따라서 더욱 쉽게 광촉매 반응이 일어나게 된다.

특히, 각종 바이러스나 곰팡이균, 악취 원인물질 등 일반적이 필터로 쉽게 제거되지 않는 각종 유기물을 산화시켜서 효과적으로 제거할 수 있다. 즉, 실내 공기에 미세먼지, 초미세먼지, 또는 호흡기 질환을 유발하는 각종 병원균 등이 있는 경우에도 이를 효과적으로 제거하여 실내 공기를 청정한 상태로 유지할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시례들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 케이싱 101 : 전열공간
102 : 순환경로 110 : 배기구
120 : 외기구 130 : 급기구
140 : 환기구
200 : 전열교환소자
300 : 배기구용 송풍팬
400 : 급기구용 송풍팬
500 : 외기구용 전동댐퍼
600 : 순환경로용 전동댐퍼
700 : 그래핀 첨가 환기필터
800 : 그래핀 첨가 순환필터
900 : 공기정화기 910 : 관체
920 : 정화소자 930 : 자외선 램프

Claims

실외측에 배기구와 외기구가 형성되고, 실내측에 급기구와 환기구가 형성되며, 내부에 상기 외기구로 유입되어 상기 급기구로 배출되는 외기와 상기 환기구로 유입되어 상기 배기구로 배출되는 내기가 교차하는 전열공간이 형성되고, 상기 환기구를 통하여 상기 전열공간으로 유입되는 내기를 상기 급기구를 통하여 실내측으로 배출하기 위한 순환경로가 형성되는 케이싱 ;
상기 전열공간에 마련되어 내기와 외기의 열교환이 이루어지도록 하는 그래핀이 첨가된 전열교환소자 ;
상기 배기구를 통하여 내기를 실외측으로 배출하기 위한 배기구용 송풍팬 ;
상기 급기구를 통하여 내기 또는 외기를 실내측으로 배출하기 위한 급기구용 송풍팬 ;
상기 외기구를 개폐하기 위한 외기구용 전동댐퍼 ;
상기 순환경로를 개폐하기 위한 순환경로용 전동댐퍼 ;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 공기정화 기능을 가진 전열교환기.
제 1 항에 있어서,
상기 외기구와 상기 전열공간의 사이에는 상기 외기구를 통하여 상기 전열공간으로 유입되는 외기를 여과하기 위하여 그래핀 소재가 첨가된 그래핀 첨가 환기필터가 마련되며, 상기 순환경로에는 상기 환기구를 통하여 상기 순한경로로 유입되는 내기를 여과하기 위하여 그래핀 소재가 첨가된 그래핀 첨가 순환필터가 마련되는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 공기정화 기능을 가진 전열교환기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 급기구에는 중공관 형태의 관체, 상기 관체의 내부에 마련되는 그래핀이 첨가된 정화소자, 상기 정화소자에 자외선을 조사하기 위한 자외선 램프를 포함하여 이루어지는 공기정화기가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 공기정화 기능을 가진 전열교환기.