KR100804200B1 - 열교환소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전열교환소자에 관한 것으로, 금속 와이어(Wire)를 기재로 하여 섬유다발로 형상의 투습성 금속 시트(sheet)로 형성된 것이다.

또한, 본 발명에 따른 전열교환소자의 제조방법은, 상기 금속와이어나 금속 나노와이어 보다 녹는점이 낮은 금속입자와 유리섬유 및 플라스틱 입자 중 적어도 어느 하나와, 금속와이어나 금속 나노와이어를 용액으로 혼합하는 공정과; 투수가능한 틀에 혼합액을 부어 소정의 형상을 만드는 공정 및; 틀에 혼합액이 투입된 상태에서 틀의 아래 부분을 진공으로 만들어 수분을 제거하는 발수공정;을 포함한다.

본 발명에 따르면, 열전도도를 향상시켜 전열교환 효율을 높일 수 있고, 두께를 줄여 현열교환을 향상시킴으로써 잠열교환 효율을 높일 수 있으며, 난연성이고 내구성을 향상시켜 유지보수 비용을 저감시킬 수 있게 된다.

공조, 열교환기, 열교환소자, 전열, 금속, 섬유

Description

열교환소자{Total Enthalpy Exchage Element}

도 1은 종래의 기술에 따른 전열교환장치의 일예를 나타낸 사시도,

도 2는 열전도방적식을 설명하기 위한 도,

도 3과 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전열교환소자를 나타낸 사진,

도 5는 도 3과 도 4에 도시된 전열교환소자를 제조하는 방법을 나타낸 개념도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 칸막이부재 3 : 간격유지부재

10 : 용기 20 : 틀

30 : 이송기구 S : 시트

본 발명은 공조분야의 열교환기에 관한 것으로, 특히 현열과 잠열을 교환하는 열교환기에 사용되는 전열교환소자에 관한 것이다.

일반적으로, 공조 분야의 전열교환기는 온도와 습도가 각각 다른 두 유체 사이에서 열을 교환하는 장치로, 열교환소자를 적층구조로 구비한 것이 있다.

한국 공개특허공보 제10-2005-0036705호의 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 공조 분야에 사용되는 적층 구조의 전열교환기는, 물결모양의 간격유지부재(3)를 칸막이부재(2)와 함께 층마다 서로 엇갈리게 적층하여 유로를 형성하고 있다.

이는 온도와 습도가 다른 두 유체를 엇갈리게 통과시켜서 온도차에 의한 현열교환과 습기의 교환에 의한 잠열교환을 행하는 구조로 되어 있다. 상기 간격유지부재(3)는 각층의 구조를 지탱하고 유로를 형성하고, 상기 칸막이부재(2)는 시트(Sheet)형태의 열교환소자로 층과 층을 분리하여 층간의 현열 또는 잠열 교환이 이루어지게 한다.

이러한 공조용으로 사용되는 열교환소자는 온도와 습도가 다른 두가지 유체가 각각 온도차에 의한 열교환 또는 습도교환 중 어느 하나만 수행해야 하고, 이산화탄소나 기타 오염물질을 투과하지 않도록 낮은 누기성(air-bleeding)을 지녀야 한다. 아울러, 화재 등에 대한 높은 난연성이 요구된다.

열회수 환기장치 등과 같이 공조용으로 쓰이고 있는 현열교환 소자의 경우 금속이 갖는 높은 열전도성에 의한 현열교환 효율은 뛰어나지만 금속시트(Sheet)는 투습성이 없어 습기는 교환하지 못하여 잠열에 의한 열교환이 이루어지지 못하는 단점이 있다.

이를 극복하기 위해 온도차에 의한 현열교환과 투습에 의한 잠열교환 두 조건을 동시에 충족시키는 종래의 전열교환 소자는 일본 특개평10-212691호, 특개 2001-241867호, 특개소54-044255호에 개시되어 있다.

한국 공개특허번호 제10-2005-0036705호에 투습 역할을 하는 흡습제가 난연 역할을 하는 난연제 등의 재료에 의해 투습성이 저하되는 것을 방지하고 투습 효과를 높이기 위해 투습성 재질과 난연성 재질이 하나의 부재에서 겹치지 않도록 각각 다른 층에 배치하여 투습성을 향상시킨 전열교환 소자가 개시되어 있다.

그리고, 한국 공개특허번호 제10-2005-0049806호에 미세한 목재 화학 펄프로 제조된 미세부 60%~90%로 만들어진 내지를 닥섬유로 만든 외지 사이에 삽입하여 압착하여 제조된 기능성 종이를 사용한 예가 개시되어 있다.

또한, 일본 특개2001-241867호에 펄프를 기재로 하는 종이에 난연제와 흡습제를 첨가하여 전열교환시트(Sheet)를 만든 후 이를 난연성 폴리프로필렌 필름으로 제조된 비흡습성 물결주름 형태의 구조체에 접착시켜 엇갈리게 적층한 전열교환소자가 개시되어 있다.

또한, 일본 특개소54-044255호에 세라믹 섬유질 기재와 식물성 섬유질 기재를 혼합시켜 초지하여 제조된 원지를 전열교환이 행해지는 칸막이칸(Sheet)으로 하고, 난연제를 첨가한 물결 모양의 구조체를 직교하여 적층한 열교환 소자가 있다.

종래의 이들 열교환소자는 현열 및 잠열 교환을 행하는 칸막이부재의 잠열 효율 즉, 투습성을 높이기 위하여 열전도도는 낮으나 투습성이 높은 섬유질을 포함하는 종이를 기재로 삼고 있다. 또한, 이들 종래 열교환소자는 투습성을 높이기 위하여 칸막이부재를 펄프 등을 원료로 하는 섬유질 재료를 기재로 삼고 있는데, 이는 다음과 같은 문제가 있다.

첫째, 칸막이부재로 사용되는 펄프 또는 닥종이 등을 기재로 하는 섬유에 투습성을 높이기 흡습제를 첨가 또는 적층하고, 난연성을 향상시키기 위해 난연제를 첨가 또는 적층하면, 기재로 사용된 섬유재질의 열전도도가 낮기 때문에 다음의 식과 같이 열전도도가 낮아서 온도 차이에 의한 현열 교환 효율이 낮다.

열전도 방정식

여기서, q : 통과열량[W/m²] , k : 열전도도[W/mㆍ℃],

dT : 온도차[℃], dx : 칸막이부재의 두께[m]

상기 열전도 방정식과 도 2를 참조하면, 온도차(dT)에 의해서 열교환(q)이 이루어지는데 각각 온도와 습도가 다른 유체 사이에 위치하는 칸막이부재의 열전도도(k)와 열교환량이 비례하여 칸막이부재의 열전도도(k)가 높을 수록 현열 교환 효율은 높기 때문이다. 이는 펄프 등과 같은 섬유질 재료를 기재로 사용하고 있는 종래의 열교환 소자의 한계이다.

둘째, 칸막이부재의 낮은 열전도도는 잠열교환 효율에도 영향을 미치게 된다. 즉, 온도와 습도가 각각 다른 유체가 칸막이부재를 사이에 두고 흐르게 되면 칸막이부재의 열전도도가 높을 수록 온도와 습도가 높은 유체의 습증기의 포화도가 칸막이부재의 다른 칸을 통하여 흐르는 온도와 습도가 낮은 습증기의 영향을 많이 받아(높은 열전도도로 인하여) 높아지게 된다.

이는 단위 체적당 습증기의 밀도가 높아지게 되어 칸막이부재를 통과하는 투 습량이 증가하고 결과적으로 잠열교환효율이 증가됨으로써 전열교환효율이 높아지게 된다. 그러나, 종래의 전열교환소자들은 투습성을 높이기 위해 펄프 등을 기재로 하는 낮은 열전도도를 가진 재질을 칸막이부재(Sheet)로 사용하므로 낮은 현열 교환 효율과 이로 인한 낮은 잠열교환 효율을 가져 전반적으로 낮은 전열 교환 효율을 갖게 된다.

셋째, 위의 열전도 방정식에서 보는 바와 같이 칸막이부재(Sheet)를 통하여 교환하는 현열은 칸막이부재의 두께(dx)에 반비례한다. 즉, 칸막이부재의 두께가 클수록 통과하는 현열은 작아지게 된다. 그러나, 종래의 섬유질을 기재로 하는 칸막이부재는 섬유재질의 특성상 100㎛ 이내로 제조할 수 없다. 제조가 가능하다 하더라도 강도의 문제로 인하여 파손될 가능성이 있기 때문이다.

네째, 종래의 전열교환소자들은 펄프 등과 같은 섬유질을 기재로 하기 때문에 화재시 발화되기 쉽다. 이를 회피하기 위하여 난연제를 첨가하여 소자를 제조하는데 이는 펄프를 기재로 하는 전열교환소자의 특성 때문에 완전한 난연성을 부여할 수 없을 뿐만 아니라, 첨가된 난연제가 투습성을 떨어뜨리는 결과를 낳는다. 따라서 이는 전체적으로 전열교환 효율을 떨어뜨리는 결과가 된다.

다섯째, 전열교환 소자는 항상 유체가 통과하기 때문에 유체에 포함된 먼지 등이 부재의 표리면에 쌓이게 되고 이는 전열교환면의 열저항을 증가시켜 전열교환 효율을 떨어뜨리게 된다. 이를 방지하기 위해 주기적으로 교환 또는 유지보수가 필요하다. 이는 사용상의 유지보수 비용의 상승을 초래하며 펄프의 섬유질을 기재로 하는 종래 전열교환 소자가 갖는 내구성의 문제이다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 전열교환소자가 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 열전도도를 향상시켜 전열교환 효율을 높일 수 있고, 두께를 줄여 현열교환을 향상시킴으로써 잠열교환 효율을 높일 수 있으며, 난연성이고 내구성을 향상시켜 유지보수 비용을 저감시킬 수 있는 전열교환소자를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전열교환소자는, 열교환장치에서 온도와 습도가 각각 다른 두 유체 사이에서 열을 교환하는 전열교환소자에 있어서 금속 와이어(Wire)를 기재로 하여 섬유다발로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 금속 와이어는 나노와이어(Nano-wire)로 형성되는 것도 가능하다.

바람직하게는, 전열교환소자는 친수성 관능기를 포함하는 흡습제가 첨가된다.

본 발명의 열교환장치는, 복수개가 소정간격을 두고 층을 이루며 구비되고, 층간의 열교환이 이루어지게 하는 시트(Sheet) 형상의 칸막이부재와; 상기 칸막이부재가 이루는 복수개의 층마다 구비되고, 유로를 형성하는 간격유지부재;를 포함한다.

또한, 본 발명에 의한 전열교환소자 제조방법은, 상기 금속와이어나 금속 나노와이어 보다 녹는점이 낮은 금속입자와 유리섬유 및 플라스틱 입자 중 적어도 어느 하나와, 금속와이어나 금속 나노와이어를 용액으로 혼합하는 공정과; 투수가능한 틀에 혼합액을 부어 소정의 형상을 만드는 공정 및; 틀에 혼합액이 투입된 상태에서 틀의 아래 부분을 진공으로 만들어 수분을 제거하는 발수공정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 틀에 의해 소정의 형상으로 제조된 전열교환소자를 압착하여 소정의 두께로 형성하는 압착공정;을 더 포함한다.

더욱 바람직하게는, 상기 압착공정을 통해 제조된 열교환소자를 코팅하는 공정;을 더 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전열교환소자의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 열교환장치는 복수개가 소정간격을 두고 층을 이루어 층간의 열교환이 이루어지게 하는 시트(Sheet) 형상의 칸막이부재(2)와, 상기 칸막이부재(2)가 이루는 복수개의 층마다 구비되고 유로를 형성하는 간격유지부재(3)를 포함한다.

상기 칸막이부재(2)는 본 발명의 의한 전열교환소자로 이루어진다.

도 3과 도 4는 전열교환소자의 단위층을 도시한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 전열교환소자는, 금속 와이어(Wire)를 기재로 하여 섬유다발로 형성된 투 습성 금속 시트(sheet)이다.

전열교환소자는 단면의 지름이 1나노미터 정도의 극미세선인 나노와이어(Nano-wire)로 형성되는 것도 가능하다.

전열교환소자는 친수성 관능기를 포함하는 흡습제가 첨가된다.

칸막이부재(2)로서 열교환소자는 온도와 습도가 각각 다른 2종 기류 사이에 위치되어 온도차에 의한 현열교환과 투습에 의한 잠열교환을 동시에 행하게 된다.

여기서, 간격유지부재(3)는 난연 처리를 한 펄프로 제조한 종이나, 플라스틱 또는 금속 박막 등을 사용할 수 있다.

본 발명에 의한 전열교환소자 제조방법은, 전처리공정과, 발수공정, 압착공정, 코팅공정을 포함한다.

먼저, 전처리공정의 일실시예는 혼합공정과 형틀공정을 포함한다.

혼합공정에서 금속와이어나 금속 나노와이어 보다 녹는점이 낮은 금속입자와 유리섬유 및 플라스틱 입자 중 적어도 어느 하나와, 금속와이어나 금속 나노와이어를 용액에 넣고 혼합한다.

용액은 물을 사용할 수 있고, 이 용액 속에 셀롤로우즈와 같이 친수성 관능기를 갖는 흡습제를 넣을 수 있다.

여기서, 유리섬유, 플라스틱 낮은 녹는 점을 갖는 금속 분말은 시트(S)형태로 고정시켜 주는 역할을 한다.

형틀공정에서는 투수가능한 틀에 혼합된 재료를 시트(S) 모양의 틀에 일정량 붓는다.

즉, 도5의 장치와 같이 혼합액을 담은 용기(10)로부터 시트 형태를 가진 틀(20)에 붓는다.

전처리공정의 다른 일실시예를 보면, 금속 또는 금속 나노와이어(Nano-wire)를 포함하는 혼합액(친수성 관능기를 갖는 흡습제는 선택적으로 포함)을 Mesh에 담그어 사방으로 서로 수직 또는 엇갈리게 움직인다. 이렇게 움직인 결과 메쉬(Mesh) 위에 수분을 포함하는 금속성 전열교환소자가 생성된다. 이를 발수 공정 등을 거쳐 금속성 시트(S)를 제조할 수 있다.

위와 같은 공정을 거쳐 수분을 포함한 시트(S)는 이송기구(30)를 거쳐서 발수공정을 거치면 금속섬유 다발을 기저로 하는 금속 시트(S)가 된다.

발수공정은 틀(20)에 혼합액이 투입된 상태에서 틀(20)의 아래 부분을 진공으로 만들어 수분을 제거하는 공정이다. 즉, 틀(20)의 아래 부분을 순간적으로 진공으로 만들면 수분이 제거된 시트(S)를 얻을 수 있다.

이러한 발수 과정을 거치는 동안에 혼합용액 속에 미립화된 형태로 있던 재료들은 녹으면서 금속와이어 또는 금속나노와이어(Nano-wire)를 고정시켜 주게 된다.

전처리공정의 또 다른 일실시예는 펄프를 원료로 하는 종이 등과 같은 공정을 적용시킬 수 있다. 전처리공정의 또 다른 실시예는 금속 와이어 또는 금속 나노와이어로 제조된 얇은 두께의 천을 만든다. 이렇게 만든 천에 셀룰로우즈와 같이 친수성 관능기를 포함하는 섬유를 잘게 분쇄하여 푼 용액에 금속성 Sheet를 담가 섬유를 금속성 천에 부착시킨다.

위와 같이 전처리공정을 거친 결과물은 금속 와이어 또는 금속 나노와이어를 기재로 하고, 선택적으로 셀룰로우즈와 같은 친수성 관능기를 포함하는 금속시트이다.

전처리공정을 통과한 금속성 전열교환 소자는 수분(또는 용액)을 포함하고 있고, 전처리공정을 거쳐 금속성 전열교환 소자를 제조한 후 셀룰로우즈와 같이 친수성 관능기를 포함하는 흡습제를 위와 같은 전처리공정과 같이 금속성 시트에 부착시키거나 흡습제를 포함하는 용액을 분사시킬 수도 있다.

이와 같이 흡습제를 포함한 금속성 시트(S)를 압착 또는 발수하면, 온도차에 의한 현열교환과 습기는 통과시키나 공기나 이산화탄소는 통과 시키지 않는 금속성 전열교환 소자를 얻을 수 있다.

압착공정은 틀에 의해 소정의 형상으로 제조된 전열교환소자를 압착하여 소정의 두께로 형성한다.

발수과정을 통과한 전열교환소자는 균일한 두께가 아니므로 롤러를 통과시켜 압착한다. 여기서, 압착하는 면을 가열하여 발수와 압착을 동시에 행할 수도 있다.

코팅공정은 상기 압착공정을 통해 제조된 열교환소자를 코팅하는 공정이다. 이에 부가하여 습증기가 물방울을 잘 맺힐수 있도록 금속성 전열교환 소자에 코팅 또는 화학처리를 할 수 있다. 다음 단계는 최종적으로 원하는 크기로 절단하여 적층하기 위한 후처리 과정이 있다.

금속시트로 된 전열교환소자를 제조하는 다른 방법으로는, 금속 이온을 포함한 용액에 금속천 또는 얇은 금속시트를 용액에 담가서 성장시키고, 이후 흡습제를 포함시키는 방법이 있다.

또한, 얇은 금속 박막에 부분적으로 녹일 수 있는 화학약품을 뿌려 미세 구멍을 천공하고, 미세 구멍에 셀룰로우즈와 같은 친수성 관능기를 포함하는 흡습제를 발라서 처리하여 전열교환소자를 제조할 수도 있다.

상기한 본 발명의 상세한 설명은 첨부된 도면에 따른 바람직한 실시예를 설명한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위는 이에 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 다양한 형태로 변형된 것은 본 발명의 범위에 포함된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전열교환소자에 의하면, 금속 와이어 또는 금속 나노와이어를 기재로 하여 이에 선택적으로 흡습제를 첨가하여 만든 금속시트를 전열교환 소자의 칸막이부재로 사용함으로써 열전도도를 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 전열교환 소자의 두께를 줄여 현열교환을 향상시켜 온도와 습도가 높은 유체의 습증기의 포화도를 높임으로써 잠열교환 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

그리고, 전열교환 소자가 금속재질로 형성되어 난연성을 가지므로 화재시 제 품의 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.

아울러, 전열교환소자의 재질적 내구성을 향상시켜 세척등을 용이하게 하여 전열교환소자의 수명을 늘려 유지보수 비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 열교환장치에서 온도와 습도가 각각 다른 두 유체 사이에서 열을 교환하는 전열교환소자에 있어서,

   금속 와이어(Wire)를 기재로 하여 섬유다발로 형성되며,

   또한, 상기 금속 와이어는 나노와이어(Nano-wire)로 형성된 것을 특징으로 하며,

   그리고, 상기 전열교환소자에는 친수성 관능기를 포함하는 흡습제가 첨가되며,

   상기 열교환장치는,

   복수개가 소정간격을 두고 층을 이루며 구비되고, 층간의 열교환이 이루어지게 하는 시트(Sheet) 형상의 칸막이부재와;

   상기 칸막이부재가 이루는 복수개의 층마다 구비되고, 유로를 형성하는 간격유지부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전열교환소자.
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