KR101529697B1 - 기능성 고분자 스페이서 및 이를 포함하는 열전달 소자 - Google Patents

Abstract

기능성 고분자 스페이서와 이를 포함하는 열전달 소자가 개시되어 있다. 이를 위하여 고분자 수지를 포함하는 필름 형상의 고분자 스페이서 및 상기 고분자 스페이서의 흡습도를 향상시키기 위한 상기 고분자 스페이서에 형성되는 흡습수단을 포함하는 기능성 고분자 스페이서와 이를 포함하는 열전달 소자를 제공한다. 고분자 합성수지에 흡습성을 부여할 수 있는 투습수단을 부가함으로써, 라이너뿐만 아니라 스페이서 역시 열전달 소자를 통과하는 공기에서 많은 양의 수분을 머금을 수 있게 된다. 라이너를 통한 열전달에 있어서, 라이너 스페이서로 이루어진 공간을 통과하는 공기의 현열뿐만 아니라 잠열이 중요한 요소라는 점을 고려할 때, 스페이서가 흡습성을 가짐으로써, 라이너 및 스페이서 표면에 공기의 습도보다 높은 고습영역을 형성하여 물질전달을 용이하게 함으로써, 잠열증가를 열전달에 이용할 수 있다. 따라서, 종래 라이너만을 개량한 열전달 소자에 비하여 열전달 효율이 탁월해 지고, 이에 따라 기존의 종이 소재의 단점을 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 고가의 알루미늄 등의 소재를 대체하는 효과를 가지 수 있다.

Description

기능성 고분자 스페이서 및 이를 포함하는 열전달 소자{FUNCTIONAL POLYMER SPACER AND HEAT EXCHANGE UNIT COMPRISING THE SAME}

본 발명은 기능성 고분자 스페이서와 이를 포함하는 열전달 소자에 관한 것으로, 열전달 소자에 사용되는 스페이서에 흡습성능을 부가하여 공기 중의 수증기를 스페이서 표면에 머물게 함으로써 고분자(polymer) 전열막의 물질전달 능력을 향상시켜 전열성능을 현저히 향상시킬 수 있는 기능성 고분자 스페이서와 이를 포함하는 열전달 소자에 관한 것이다.

열회수형환기장치인 전열교환기는 실내공기를 환기시키면서 동시에 배기와 급기 간의 열교환이 이루어지도록 하는 열교환장치이다. 이는 실내외 공기를 환기시키면서 실외로 배기되는 공기의 열을 실내로 급기되는 공기에 전달시켜 에너지의 효율적 사용을 가능하게 하고 이에 따라 실내의 급격한 온도변화를 방지할 수 있다.

이러한 전열교환기에 사용되는 열전달 소자의 일반적인 형태가 도 1에 도시되어 있다. 도 1은 열전달 소자의 구조를 설명하기 위한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 열전달 소자(13)는 평판형상으로 마련되는 라이너(24)와 라이너(24)의 일면에 접착제 등을 통해 결합 되도록 사인파 형상으로 주름지게 형성된 콜루게이션(corrugation) 스페이서(23)로 구성되는 기본유닛이 차례로 적층되어 형성된다.

일반적으로, 배기와 급기간의 열교환은 상기 라이너(24)를 통하여 이루어지게 된다. 따라서 선택된 라이너의 성질에 따라 상기 열회수환기장치의 열교환 성능이 좌우되는 것으로 알려져 있다.

이러한 라이너로는 종이 재질 또는 알루미늄 등의 금속박판을 사용하고, 최근에는 고분자 합성수지 필름을 사용하기도 한다.

종이 재질의 라이너는 현열뿐만 아니라 고습영역에서 수증기를 흡습하고 저습영역으로 수증기를 기화시키는 잠열을 이용할 수 있는 장점이 있으나, 열전도율(열전도계수)이 매우 낮고, 곰팡이 등의 번식 등의 문제가 있다. 알루미늄 라이너의 경우, 열전도율은 매우 우수하지만, 투습성능이 없어 잠열에 의한 열전달을 활용할 수 없고 수분에 의한 알루미늄의 부식문제가 발생할 뿐만 아니라 고가인 문제점이 있다.

이러한 종이 또는 알루미늄 라이너의 문제점들을 극복하기 위하여, 고분자 합성수지를 라이너로 사용하는 기술들이 제안되고 있다. 합성수지를 라이너로 사용하는 경우, 부식 등의 우려가 없고 종이에 근접한 열전달 효율을 달성할 수 있다. 그러나 이러한 합성수지의 경우 여전히 알루미늄 등 열전달율이 높은 금속보다는 낮은 열전달 성능을 가질 뿐만 아니라, 흡습도가 낮아서 현열뿐만 아니라 잠열까지 열전달에 사용하기는 어려운 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 고분자 합성수지 라이너의 표면에 흡습도 및 투습도를 향상시키기 위한 코팅층을 형성하는 기술이 제안되고 있다.

도 2는 기존 기술에 따른 열전달소자를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3은 상기 도 2의 열전달 소자에서의 열전달 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 고분자 라이너(100)의 표면에 흡습층(110)을 형성하는 경우, 유로를 통과하는 공기의 수분을 머금을 수 있고 이에 따라 현열뿐만 아니라 저습영역으로 물분자를 투과시킴으로써 잠열을 열전달에 이용할 수 있어 열전달 효율을 개선할 수 있다.

즉, 흡습층이 형성된 고분자 라이너와 일반적인 스페이서를 조합한 경우, 유로를 통과하는 공기 중에 있는 수분(수증기)은 공기와 접하는 라이너 표면만을 통하여 저습 영역으로 이동하게 되어 일정부분 열전달 효율이 개선될 수 있다(

: 라이너를 통과하는 물분자의 질량유량). 그러나 이 때 스페이서는 단순히 기류가 지나가는 통로역할만을 수행할 뿐, 열전달에 기여하지는 못하게 된다.

이와 같이 기존 열전달소자의 기술들은 열이 이동하는 매개체인 라이너의 개선에 중점을 두고 개발이 진행되고 있다.

한편, 도 1을 참조하면, 상기 스페이서(23)는 이웃하는 스페이서(23)와 직교하도록 배치되는데, 이중 하나는 배기유로와 통하도록 형성된 배기층(21)을 형성하고, 나머지 하나는 급기유로와 통하도록 형성된 급기층(22)을 형성하게 된다. 이러한, 스페이서 역시, 종이, 알루미늄, 합성수지 등을 이용할 수 있으며, 알루미늄이나 합성수지를 이용하는 경우, 내구성이 우수할 수 있으나 종이에 비하여 흡습성은 열악한 특성을 가진다.

이와 같이, 기존 기술들에서 스페이서는 열전달 소자의 형태를 유지시키고 공기 등 유체의 이동통로를 제공하는 역할만을 수행할 뿐 열전달에 기여하는 수준이 매우 낮다. 그러나 라이너를 통한 열전달 효율은 스페이서와 라이너로 형성된 유동통로를 통과하는 공기에서 흡습한 습기의 양에 따라 열전달 효율이 현격히 차이가 날 수 있다.

따라서, 스페이서로 흡습성이나 투습성이 적은 고분자 합성수지를 사용하여 내구성이나 위생성 등을 개선하는 동시에 스페이서를 개량함으로서 공기 중의 수증기를 스페이서 및 라이너 표면에 머금음으로써 공기 중의 습도보다 더 고습영역을 형성하여 저습영역으로 물질전달 능력을 배가시킴으로써 잠열을 열연전달에 이용하기 위한 기술의 개발이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1206150호 (2012.11.22 공고) 대한민국 등록특허 제10-737695호 (2007.7.3 공고) 미국공개특허 US 2006/0168813 (2006.8.3 공개)

본 발명의 제 1 목적은 흡습도가 우수하여 열전달 소자를 이동하는 공기에서 보다 많은 양의 수분의 잠열에 의한 열전달에 이용할 수 있도록 하여, 열전달 소자의 열전달 효율을 현저히 개선할 수 있는 기능성 고분자 스페이서를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 흡습도가 우수하여 열전달 소자를 이동하는 공기에서 보다 많은 양의 수분의 잠열에 의한 열전달에 이용할 수 있도록 하여, 열전달 소자의 열전달 효율을 현저히 개선할 수 있는 기능성 고분자 스페이서를 이용한 열전달 소자를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 제 1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 고분자 수지를 포함하는 필름 형상의 고분자 스페이서 및 상기 고분자 스페이서의 흡습도를 향상시키기 위한 상기 고분자 스페이서에 형성되는 흡습수단을 포함하는 기능성 고분자 스페이서를 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 제 2 목적을 달성하기 위하여, 유로간 열전달을 매개하는 라이너; 및 상기 라이너를 사이에 두고 형성되어 유로를 형성하고, 상기 라이너를 통하여 이루어지는 수분 전달에 의한 열전달을 촉진하기 위한 흡습수단을 가지는 기능성 고분자 스페이서를 포함하는 열전달 소자를 제공한다.

본 발명에 의하면, 내구성이 부족하고 위생적으로 문제가 있을 수 있을 뿐 아니라 열전달 효율이 매우 낮은 종이나, 비교적 고가이고 부식의 우려가 있을 뿐 아니라 흡습성이나 투습성이 없는 알루미늄 대신 기능성 고분자 합성수지를 스페이서로 대체할 수 있다.

이 경우, 내구성이 우수하여 열전달 소자를 안정적으로 지지할 뿐만 아니라, 흡습성이 있지만 신속히 건조되는 특성 때문에 장기간 다습한 환경에 노출되어도 곰팡이가 발생되거나 부식이 발생할 우려가 적다.

무엇보다, 고분자 합성수지에 흡습성을 부여할 수 있는 투습수단을 부가함으로써, 라이너뿐만 아니라 스페이서 역시 열전달 소자를 통과하는 공기에서 많은 양의 수분을 머금을 수 있게 된다. 라이너를 통한 열전달에 있어서, 라이너와 스페이서로 이루어진 공간을 통과하는 공기의 현열뿐만 아니라 잠열이 중요한 요소라는 점을 고려할 때, 스페이서가 흡습성을 가짐으로써, 현저히 증가된 많은 양의 수분의 전달을 열전달에 이용할 수 있다.

따라서, 종래 라이너만을 개량한 열전달 소자에 비하여 열전달 효율이 탁월해 지고, 이에 따라 기존의 종이 소재의 단점을 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 고가의 알루미늄 등의 소재를 대체하는 효과를 가지 수 있다.

결과적으로 에너지의 효과적인 사용 및 절약에 이바지하여 녹색경제의 진전에 한축으로 기여할 수 있다.

도 1은 열전달 소자의 구조를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 기존 기술에 따른 열전달소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 상기 도 2의 열전달 소자에서의 열전달 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전달소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 상기 도 4의 열전달 소자에서의 열전달 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 의한 스페이서 및 열전달 소자를 상세하게 설명한다.

도 1은 열전달 소자의 구조를 설명하기 위한 사시도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전달소자를 설명하기 위한 단면도이고, 도 5는 상기 도 4의 열전달 소자에서의 열전달 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 열전달 소자는 라이너 및 상기 라이너를 사이에 두고 교차하는 방향으로 공기가 흐르도록 형성된 스페이서를 포함한다. 도 1은 일반적인 열전달 소자의 형상을 나타낸 것인데, 본 발명의 경우 이러한 일반적인 열전달 소자의 형태를 가지면서 스페이서의 소재를 개선한 것이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예 의한 기능성 고분자 스페이서는 고분자 수지를 포함하는 필름 형상의 고분자 스페이서(200)와 상기 고분자 스페이서의 흡습도를 향상시키기 위한 상기 고분자 스페이서에 형성되는 흡습수단(210, 220)을 포함한다.

먼저, 상기 기능성 고분자 스페이서는 고분자 수지를 포함하는 필름 형상의 고분자 스페이서(200)를 가진다.

상기 고분자 수지는 일정한 지지력을 가지는 종이나 알루루미늄을 대체할 수 있는 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 또는 폴리비닐클로라이드(PVC) 등을 사용할 수 있다. 특히, 흡습성을 증대시키기 위하여 상기 고분자 수지는 필름형상으로 제조될 수 있고 고분자의 백본(backbone) 또는 사이드체인(side chain)에 수분의 신속한 전달(흡수 및 배출)의 정도인 투습도 향상에 기여하는 친수성을 높이기 위한 친수성 관능기들이 추가된다면 더욱 유리하다

또한, 본 발명에 의한 고분자 기능성 스페이서는 상기 고분자 스페이서(200)의 흡습도를 향상시키기 위한 상기 고분자 스페이서에 형성되는 흡습수단을 포함한다.

먼저, 상기 흡습수단은 예를 들면, 상기 고분자 스페이서 상에 코팅되거나 도포거나, 스페이서 내부에 형성된 흡습층 형태로 형성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 이러한 흡습층(210, 220)은 상기 고분자 스페이서 상에 형성되는 경우, 그 일면 또는 양면에 형성될 수 있으나 스페이서 양면에 형성되는 되는 것이 좌우로 연속된 공기 통로에서 모두 흡습역할을 수행할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 스페이서 내부에 별도의 층 형태로 형성할 수도 있다. 특히, 스페이서가 복수개의 층이나 결, 조직으로 이루어진 경우, 스페이서 형성과정에서 스페이서 내부에 상기 흡습층을 형성할 수도 있다.

이러한 흡습층은 흡습제나 흡습입자가 포함된 액상조성물을 도포하여 형성되어, 그 농도 등은 제한되지 않으나, 그 두께는 1 내지 200㎛ 로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 스페이서의 수분 흡습을 촉진하기 대표적인 흡습물질로는 염화리튬(LiCl), 인산염, 탄산칼슘, 실리카, 제올라이트, 벤토나이트, 몰레큘러시브, 탈크, 중탄 또는 크레이 등을 예시할 수 있다.

다른 형태로, 상기 흡습수단은 흡습입자를 상기 고분자 스페이서 내에 포함되도록 스페이서를 제작할 수도 있다. 이 경우, 상기 흡습입자는0.1 내지 150 ㎛의 입경을 가지고, 상기 고분자 스페이서 100 중량부에 대하여 1 내지 70 중량부 포함되도록 하는 것이 바람직하다.

일반적으로 라이너가 흡습성이나 투습성을 가지면, 라이너에서 흡습된 수분만이 잠열에 의한 열전달에 기여하게 되어 열전달 효율 향상에 제한이 있다(도 3 참조). 그러나 도 5를 참조하면, 본 발명과 같이 스페이서에 흡습수단을 구비하면, 열전달소자에서 라이너와 스페이서로 구획되는 공기유동통로를 통과하는 공기에서 보다 많은 양의 수분을 흡습하게 되고, 따라서 라이너만 수분을 머금은 경우보다 현저히 잠열 이용 부분이 개선된다.

즉, 라이너에만 흡습수단이 구비된 종래기술을 나타내는 도 3의 경우 수분을 머금을 수 있는 부분이 라이너 하나의 면이지만, 본 발명의 경우 도 5에서 보는 바와 같이 수분을 머금을 수 있는 면이 3면이 되고, 따라서 이론적으로 라이너만 흡습수단을 구비한 경우보다 3배의 잠열 이용효과를 기대할 수 있다.

구체적으로 도 5를 참조하면, 라이너와 기능성 고분자 스페이서의 조합으로 이루어진 열전달 소자에서 공기 중에 있는 수분의 이동은 공기와 접하는 라이너 표면과 기능성 고분자 스페이서의 표면에 고습영역으로 이동하여 초기 젖음(흡습상태, wetting) 상태가 된다. 결과적으로 라이너를 통하여 이동되는 질량유량(

)은 공기에서 라이너 방향으로 이동된 수분(수증기)뿐만이 아니라 흡습 상태의 기능성 고분자 스페이서 표면의 고습영역에서도 라이너 쪽으로 이동하는 질량유량(

)이 더해져 라이너에서만 전달되는 것과 비교하면 질량유량이 현저하게 증가한다.

한편, 상기 고분자 스페이서에는 온도차이에 의한 열전달, 즉 현열 열전달을 촉진하기 위한 열전달 코팅층이나, 열전달 입자 등의 열전달 수단을 더 포함할 수도 있다. 이를 통하여 스페이서로 구분된 통로를 통과하는 공기의 열이 스페이서에서 원활하게 라이너 부분으로 전달되도록 하여 결국 열전달소자의 열전달 효율에 이바지하게 된다.

이러한 열전달 수단으로는 고열전도 금속입자, SiC, 카본블랙, 탄소나노튜브, 또는 전도성 폴리머 등을 예시할 수 있다.

또한, 본 발명은 상술한 기능성 고분자 스페이서를 포함하는 열전달 소자를 제공한다.

먼저, 본 실시예에 의한 열전달 소자는 유로간 열전달을 매개하는 라이너(100)를 포함한다.

상기 라이너는 종이, 알루미늄 등을 사용할 수 있으나 본 발명에서는 상기 스페이서와 접합 등을 고려하여 고분자 합성수지를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 라이너는 열전달 소자에서 열을 전달하는 부분이므로, 열전달을 촉진하기 위한 고열전도 금속입자, SiC, 카본블랙, 탄소나노튜브, 또는 전도성 폴리머인 열전달 입자를 더 포함할 수 있다. 상기 열전달 입자는 상기 라이너 상에 형성되거나, 또는 상기 라이너 내에 입자상으로 내포된 형태로 형성될 수 있다.

나아가 흡습성이나 투습성을 증가시켜 잠열에 의한 열전달을 이용하기 위하여 흡습수단(110)을 구비할 수 있다. 그 두께는 1 내지 200 ㎛로 형성하는 것이 바람직하며, 수분 흡습을 촉진하기 대표적인 흡습물질로는 염화리튬(LiCl), 인산염, 탄산칼슘, 실리카, 제올라이트, 벤토나이트, 몰레큘러시브, 탈크, 중탄 또는 크레이 등의 첨가제와 이를 포함하는 고투습폴리머수지를 예시할 수 있다.

고투습폴리머수지의 예로서는 아크릴계, 우레탄계, 올레핀계 등의 수지가 있으며, 제조공정에 따라 유기계 및 수계가 가능하다.

그리고 본 실시예에 의한 열전달 소자는 흡습수단을 가지는 기능성 고분자 스페이서를 포함한다.

이러한 스페이서는 상기 라이너(100)를 사이에 두고 형성되어 유로를 형성하고, 상기 라이너를 통하여 이루어지는 수분 전달에 의한 열전달을 촉진하기 위한 흡습수단을 가진다. 이러한 상기 흡습수단은 상기 고분자 스페이서 상의 일면 또는 양면에 형성된 흡습층(210, 220)일 수 있고, 흡습수단은 상기 고분자 스페이서 내에 포함된 흡습입자일 수 있다.

이와 같은 흡습물질로는 염화리튬(LiCl), 인산염, 탄산칼슘, 실리카, 제올라이트, 탈크, 몰레큘러시브(분상체) 또는 크레이 등의 첨가제와 이를 포함하는 고투습폴리머수지를 예시할 수 있으며, 전술한 바와 같이, 스페이서에도 흡습성능을 부여하여 라이너를 통한 수분 이동에 따른 열전달이 원활하게 되도록 한다. 고투습폴리머수지의 예로서는 아크릴계, 우레탄계, 올레핀계 등의 수지가 있으며, 제조공정에 따라 유기계 및 수계가 가능하다.

나아가, 공정상 상기 라이너와 기능성 고분자 스페이서의 접합면에 구비되어 상기 라이너와 기능성 고분자 스페이서를 결합하는 접착수단을 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 접착제에도 상술한 흡습수단을 포함하는 것이 바람직하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

13 : 열전달 소자 21 : 배기층
22 : 급기층 23 : 스페이서
100 : 라이너 110 : 흡습수단
200 : 스페이서 210, 220 : 흡습수단

Claims (16)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 유로간 열전달을 매개하는 라이너; 및
    상기 라이너를 사이에 두고 형성되어 유로를 형성하는 필름 형상의 고분자 스페이서, 및 상기 라이너를 통하여 이루어지는 수분 전달에 의한 열전달을 촉진하며 좌우로 연속된 공기 통로에서 모두 흡습역할을 수행하도록 상기 고분자 스페이서의 양면에 형성된 흡습층으로 구성된 기능성 고분자 스페이서를 포함하며,
    상기 라이너는 흡습도를 향상시키기 위해 공기와 접하는 라이너 표면에 구비된 흡습수단을 포함하고, 라이너의 열전달을 촉진하기 위한 고열전도 금속입자, SiC, 카본블랙, 탄소나노튜브, 또는 전도성 폴리머인 열전달 입자를 내부에 입자상으로 내포하는 것을 특징으로 하는 열전달 소자.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 제 11 항에 있어서, 상기 라이너와 기능성 고분자 스페이서의 접합면에 구비되어 상기 라이너와 기능성 고분자 스페이서를 결합하는 접착수단을 더 포함하고,
    상기 접착수단은 흡습수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전달 소자.

Images