KR20220145042A - Apparatus for directional heat transfer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 방향성 열전달 장치에 관한 것으로, 특히 열전달부재의 마주보는 표면을 저방사율과 고방사율의 곡면으로 구성하여 열전달 장치가 방향성을 갖도록 하여 단열성능을 향상시키기에 적당하도록 한 방향성 열전달 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a directional heat transfer device, and more particularly, to a directional heat transfer device in which the facing surface of a heat transfer member is configured with curved surfaces of low and high emissivity to make the heat transfer device have directionality to improve thermal insulation performance. .
일반적으로 열에너지는 열역학 제2 법칙에 의해 고온계에서 저온계로 전도, 대류, 복사 모드를 통해 이동한다. 전도 및 대류에 의한 열전달은 매질에서의 온도구배가 있어야 하지만, 복사에 의한 열전달은 매질이 없어도 두 표면 사이의 상호 방사와 흡수를 통해 이루어진다.In general, thermal energy moves from a pyrometer to a low temperature system through conduction, convection, and radiation modes according to the second law of thermodynamics. Heat transfer by conduction and convection requires a temperature gradient in the medium, but heat transfer by radiation is achieved through mutual radiation and absorption between two surfaces even in the absence of a medium.
표면에 의해 방사되는 열복사의 파장은 0.1~100um로 UV(ultraviolet, 자외선) 일부와 모든 가시광선 및 적외선을 포함하며, 이 범위가 열전달에 관련된다.The wavelength of thermal radiation emitted by the surface is 0.1 to 100 μm, including some UV (ultraviolet, ultraviolet) and all visible and infrared rays, and this range is related to heat transfer.
플랑크 분포(Planck distribution)와 빈의 변위 법칙(Wien's displacement law)에 의해 800K(800 - 273.15 = 526.85℃) 이하의 이상적인 흑체(black body)에서는 적외선만이 복사열전달에 관련되며, 300K 전후의 실제 표면에서는 5~45um 범위의 파장만이 열전달에 관련된다.According to the Planck distribution and Wien's displacement law, in an ideal black body below 800K (800 - 273.15 = 526.85℃), only infrared radiation is involved in radiative heat transfer, and the actual surface around 300K In , only wavelengths in the range of 5 to 45 μm are involved in heat transfer.
5~45um 범위의 열복사 스펙트럼은 반투명 매질에 조사될 때 표면에서 반사, 매질에 흡수, 매질을 투과하는 특성을 갖는다. 일반적인 전기부도체가 이에 해당되며, 광택이 있는 전기전도체는 대부분의 에너지를 반사한다. When irradiated to a translucent medium, the thermal radiation spectrum in the range of 5 to 45 μm has the characteristics of being reflected from the surface, absorbed by the medium, and transmitted through the medium. This is a common electrical insulator, and a shiny electrical conductor reflects most of the energy.
이때 반사되는 에너지와 방사되는 에너지를 라디오시티(radiosity)라고 한다. 만약 표면이 흑체와 같이 확산반사체이고 확산방사체이면 모든 방향으로 균일한 에너지를 방사한다.The reflected energy and the radiated energy are called radiosity. If the surface is a diffuse reflector like a black body and a diffuse emitter, it emits uniform energy in all directions.
그러나 금속표면에 전기부도체 코팅된 표면(예, 무광택 페인트 코팅된 알루미늄 표면)은 조사되는 에너지 대부분을 흡수하고(α = 0.95) 일부만 반사한다(r = 0.05). 또한 표면 방사율(ε = 0.95)은 흡수율과 같다. 방사 방향은 흑체와 다르게 주로 수직방향으로 방사되며, 표면형상과 코팅된 재료의 분자량을 변경하여 방사의 방향을 제어할 수 있다.However, a surface coated with an electrically insulator on a metal surface (eg, an aluminum surface coated with a matte paint) absorbs most of the irradiated energy (α = 0.95) and reflects only a portion (r = 0.05). Also, the surface emissivity (ε = 0.95) is equal to the absorption rate. Unlike a black body, the radiation direction is mainly emitted in a vertical direction, and the direction of radiation can be controlled by changing the surface shape and molecular weight of the coated material.
또한 잘 연마된 알루미늄 표면은 반사율이 매우 높고(반사율 = 98%), 조사에너지의 입사각과 반사각이 같으며, 매우 낮은(약 0.02) 방사율을 갖는다.In addition, the well polished aluminum surface has a very high reflectance (reflectance = 98%), the incident angle and the reflection angle of the irradiation energy are the same, and has a very low (about 0.02) emissivity.
복사열전달은 두 표면 사이의 상호 방사와 흡수를 통해 이루어진다. 이러한 원리를 통해 우주에서는 멀티레이어 단열재(multi-layer insulation, MLI)를 이용하여 우주복의 단열특성을 구현한다. 5800K의 태양표면에서 방사된 전자기파는 모든 열복사 스펙트럼을 포함하며, 특히 가시광선의 영역이 복사 강도가 가장 높다. 태양복사에 의해 가열되는 우주복은 약 400K 이하로서, 적외선영역의 전자기파만 방사한다. 따라서 우주복의 외부표면을 가시광선에 대한 흡수율은 낮고 적외선의 방사율이 높게 하여 태양복사로 인한 우주복의 온도상승을 방지할 수 있다. 또한 태양복사가 없을 때 우주복의 외부온도는 또한 120K 정도로서, 주로 30um 파장의 적외선을 방사하고, 체온 310K로 우주인은 주로 10um 파장의 적외선을 방사한다. 이때 우주복의 내부표면을 30um 파장의 적외선 방사율을 높이고 10um 파장의 적외선 방사율을 낮게 하여, 우주인으로부터 우주로의 열 손실을 최소화 할 수 있다.Radiant heat transfer is achieved through mutual radiation and absorption between two surfaces. Through this principle, in space, multi-layer insulation (MLI) is used to realize the insulation properties of space suits. The electromagnetic wave radiated from the sun's surface at 5800K includes all the thermal radiation spectrum, and the visible light region has the highest radiation intensity. The space suit heated by solar radiation is about 400K or less, and only emits electromagnetic waves in the infrared region. Therefore, it is possible to prevent the temperature rise of the spacesuit due to solar radiation by making the outer surface of the spacesuit have a low absorption rate for visible light and a high infrared radiation rate. In addition, when there is no solar radiation, the outer temperature of the spacesuit is also about 120K, mainly emitting infrared rays of 30um wavelength, and with body temperature of 310K, astronauts mainly radiate infrared rays of 10um wavelength. At this time, by increasing the infrared emissivity of 30um wavelength and lowering the infrared emissivity of 10um wavelength on the inner surface of the spacesuit, heat loss from astronauts to space can be minimized.
그러나 우주복에서 사용되는 멀티레이어 단열재는 지구에서 사용하는데 한계가 있다. 키르히호프의 법칙에 의해 동일 파장대에서 방사율은 흡수율과 같다는 것이 알려져 있으며, 지구에서는 단열재 양면에 조사되고 양면에서 방사되는 적외선 스펙트럼이 거의 같기 때문에 양방향으로의 복사열전달양은 동일하다. 즉 고온표면과 저온표면간의 복사열전달은 서로 상쇄되어 순 열전달량은 0에 가깝게 된다.However, the multi-layer insulation used in space suits has limitations in its use on Earth. According to Kirchhoff's law, it is known that the emissivity is equal to the absorption rate in the same wavelength band, and since the infrared spectrum radiated from both sides of the insulating material is irradiated on both sides of the earth on Earth, the amount of radiant heat transfer in both directions is the same. That is, the radiant heat transfer between the hot and cold surfaces cancels each other out, so that the net heat transfer amount is close to zero.
한편 저온영역에서 고온영역으로 열에너지를 이동시키기 위해서 냉동사이클(Refrigeration cycle)을 이용하거나 펠티어소자(Peltier element)를 적용한다. 이러한 히트펌핑(Heat pumping) 장치 또는 소자는 일정량의 에너지를 소비한다.On the other hand, in order to transfer thermal energy from a low temperature region to a high temperature region, a refrigeration cycle is used or a Peltier element is applied. Such a heat pumping device or element consumes a certain amount of energy.
또한 최근에는 냉장고와 같이 고성능 단열특성이 필요한 경우 진공 단열재(Vacuum insulation)를 적용하여 단열두께를 최소화 하면서 단열성능을 확보하고 있다.In addition, recently, when high-performance insulation properties are required, such as a refrigerator, vacuum insulation is applied to minimize the insulation thickness and secure insulation performance.
이러한 진공 단열재(0.0035W/mK)는 기존의 발포우레탄(0.026W/mK)이나 유리섬유(0.039W/mK) 보다 낮은 열전도도를 갖는다. 진공단열재의 단열원리는 외피재 내부를 진공으로 유지하여 공기의 전도와 대류에 의한 단열성능 저하를 최소화한 것이다. This vacuum insulator (0.0035W/mK) has lower thermal conductivity than conventional polyurethane foam (0.026W/mK) or glass fiber (0.039W/mK). The insulation principle of vacuum insulation material is to keep the inside of the envelope in a vacuum to minimize the deterioration of insulation performance due to conduction and convection of air.
반사표면을 갖는 알루미늄 호일과 유리섬유를 이용한 멀티레이어 단열재는 극저온에서 0.000017W/mK의 열전도도를 갖는다. (출처 : 기계 로봇 연구정보센터, , '물성치테이블', 'Aluminum foil and glass paper laminate; 75-150 layers; evacuated;for cryogenic application (150K)')Multilayer insulation using aluminum foil and glass fiber with a reflective surface has a thermal conductivity of 0.000017 W/mK at cryogenic temperatures. (Source: Machine Robot Research Information Center, 'Material property table', 'Aluminum foil and glass paper laminate; 75-150 layers; evacuated; for cryogenic application (150K)')
선행 논문으로는 2018년에 Shanhui Fan 등은 표면에 나노 텍스쳐 및 열복사에 대한 다양한 문헌을 리뷰하여 열복사를 제어하는 기술을 요약하였다. [Optics Express, Vol. 26, No. 12]As a prior paper, in 2018, Shanhui Fan et al. reviewed various literatures on nanotexture and thermal radiation on the surface, and summarized the technology to control thermal radiation. [Optics Express, Vol. 26, No. 12]
또한 특허 문헌에서는 "진공단열재, 진공단열재의 제조방법 및 진공단열재를 포함하는 냉장고"[1018303740000]가 개시된 바 있다.In addition, in the patent literature, "a vacuum insulation material, a manufacturing method of a vacuum insulation material, and a refrigerator including a vacuum insulation material" [1018303740000] has been disclosed.
그러나 종래기술은 우주에서 사용하는 멀티레이어 단열재의 경우, 지구에서의 적외선 스펙트럼이 거의 같기 때문에 지구에서 사용하기에는 한계가 있었다. 즉, 멀티레이어 단열재에 대한 저방사율 표면처리를 통해서 단열성능 구현함에 있어서 열평형상태의 두 표면이 키르히호프 법칙에 의해 순(net) 복사열전달량이 "0"이 되어 단열성능을 향상시키기 어렵다. 그래서 멀티레이어 단열재의 단열성능을 향상시켜 지구에서도 적용할 수 있는 장치의 필요성이 대두되고 있다.However, in the case of a multi-layered insulating material used in space, the prior art has a limit to use on the earth because the infrared spectrum on the earth is almost the same. That is, in realizing thermal insulation performance through low-emissivity surface treatment for multi-layer insulators, it is difficult to improve thermal insulation performance because the two surfaces in thermal equilibrium have a net radiant heat transfer amount of "0" according to Kirchhoff's law. Therefore, the need for a device that can be applied to the earth by improving the insulation performance of the multi-layer insulation material is emerging.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 열전달부재의 마주보는 표면을 저방사율과 고방사율의 곡면으로 구성하여 열전달 장치가 방향성을 갖도록 하여 단열성능을 향상시킬 수 있는 방향성 열전달 장치를 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been proposed to solve the problems of the related art as described above, and an object of the present invention is to configure the facing surface of the heat transfer member with curved surfaces of low emissivity and high emissivity so that the heat transfer device has a directionality to provide thermal insulation performance. To provide a directional heat transfer device that can improve
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 방향성 열전달 장치의 정면도이고, 도 2는 도 1의 일부 확대도이며, 도 3은 도 1의 측면도와 평면도이고, 도 4는 도 1의 분해사시도이다.1 is a front view of a directional heat transfer device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a partial enlarged view of FIG. 1, FIG. 3 is a side view and a plan view of FIG. 1, and FIG. 4 is an exploded perspective view of FIG.
이에 도시된 바와 같이, 곡면의 저방사율 방사표면(120)과 평면의 고방사율 방사표면(130)을 구비하여 저온공간(500)에서의 열을 흡수 열전달부재(200)로 방사하는 방사 열전달부재(100)와; 상기 고방사율 표면(130)에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 저방사율 흡수표면(220)과 상기 저방사율 방사표면(120)에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 고방사율 흡수표면(230)을 구비하여 상기 방사 열전달부재(100)에서 방사되는 열을 흡수하여 고온공간(600)으로 전달하는 흡수 열전달부재(200);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.As shown in this figure, a radiating heat transfer member ( 100) and; A low
상기 방사 열전달부재(100)의 방사 모재(110)와 상기 흡수 열전달부재(200)의 흡수 모재(110)는, 각각 알루미늄으로 구성된 것을 특징으로 한다.The radiation base material 110 of the radiation
상기 방사 열전달부재(100)의 상기 저방사율 방사표면(120)과 상기 흡수 열전달부재(200)의 저방사율 흡수표면(210)은, 각각 알루미늄 시트의 전해연마와 고순도 알루미늄의 증착으로 형성된 것을 특징으로 한다.The low emissivity emitting surface 120 of the radiating
상기 방사 열전달부재(100)의 상기 고방사율 방사표면(130)과 상기 흡수 열전달부재(200)의 고방사율 흡수표면(230)은, 각각 비금속 코팅 또는 MWCNT(multiwalled carbon nanotube, 다중벽 탄소 나노튜브) 코팅을 통해 형성된 것을 특징으로 한다.The high emissivity emitting surface 130 of the radiating
상기 방향성 열전달 장치는, 상기 방사 열전달부재(100)와 상기 흡수 열전달부재(200)를 결합시키는 제1 지지부재(300)와; 상기 방사 열전달부재(100)와 상기 흡수 열전달부재(200)와 상기 제1 지지부재(300)를 결합시켜 내부공간(700)을 저온공간(500) 및 고온공간(600)과 분리시키는 제2 지지부재(400);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.The directional heat transfer device includes: a first support member 300 for coupling the radiation
상기 제1 및 제2 지지부재(300, 400)는, 연질우레탄폼 또는 경질우레탄폼인 것을 특징으로 한다.The first and second support members 300 and 400 are characterized in that the flexible urethane foam or rigid urethane foam.
상기 방향성 열전달 장치는, 내부가 진공으로 형성된 것을 특징으로 한다.The directional heat transfer device is characterized in that the inside is formed in a vacuum.
본 발명에 의한 방향성 열전달 장치는 열전달부재의 마주보는 표면을 저방사율과 고방사율의 곡면으로 구성하여 열전달 장치가 방향성을 갖도록 하여 단열성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The directional heat transfer device according to the present invention has the effect of improving the thermal insulation performance by configuring the facing surface of the heat transfer member to have a curved surface of low emissivity and high emissivity so that the heat transfer device has directionality.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 방향성 열전달 장치의 정면도이다.
도 2는 도 1의 일부 확대도이다.
도 3은 도 1의 측면도와 평면도이다.
도 4는 도 1의 분해사시도로서, (a)는 좌측 분해사시도이고, (b)는 우측 분해사시도이다.
도 5는 도 1에서 열의 방사와 흡수 경로를 보인 도면이다.
도 6은 본 발명의 단열 성능을 시뮬레이션한 결과를 보인 도면이다.
도 7은 방사율과 흡수율의 계산값을 보인 것으로, (a)는 키르히호프 법칙에 따른 방사율과 흡수율의 계산값을 보인 것이고, (b)는 본 발명에 의한 흡수 열전달부재와 흡수 열전달부재의 방사율과 흡수율의 계산값을 보인 도면이다.
도 8은 단열성능을 비교한 것으로, (a)는 본 발명에 의한 단열성능을 보인 것이고, (b)는 종래 진공단열재에 의한 단열성능을 보인 것이다.
도 9는 본 발명과 종래 단열재의 단열성능을 도식화한 도면이다.1 is a front view of a directional heat transfer device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG. 1 .
3 is a side view and a plan view of FIG. 1 ;
4 is an exploded perspective view of FIG. 1 , (a) is an exploded perspective view on the left, and (b) is an exploded perspective view on the right.
FIG. 5 is a view showing radiation and absorption paths of heat in FIG. 1 .
6 is a view showing a simulation result of the thermal insulation performance of the present invention.
7 shows the calculated values of emissivity and absorption, (a) shows the calculated values of emissivity and absorption according to Kirchhoff's law, (b) is the emissivity of the absorption heat transfer member and the absorption heat transfer member according to the present invention It is a diagram showing the calculated value of the absorption rate.
8 shows a comparison of the thermal insulation performance, (a) shows the thermal insulation performance according to the present invention, (b) shows the thermal insulation performance by the conventional vacuum insulator.
9 is a diagram schematically showing the thermal insulation performance of the present invention and the conventional thermal insulation material.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 방향성 열전달 장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.A preferred embodiment of the directional heat transfer device according to the present invention configured as described above will be described in detail based on the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. And the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary depending on the intention or precedent of the user or operator, and accordingly, the meaning of each term should be interpreted based on the contents throughout this specification. will be.
먼저 본 발명은 열전달부재의 마주보는 표면을 저방사율과 고방사율의 곡면으로 구성하여 열전달 장치가 방향성을 갖도록 하여 단열성능을 향상시키고자 한 것이다.First, the present invention is to improve the thermal insulation performance by configuring the opposite surface of the heat transfer member to have a curved surface of low emissivity and high emissivity so that the heat transfer device has directionality.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 방향성 열전달 장치의 정면도이고, 도 2는 도 1의 일부 확대도이며, 도 3은 도 1의 측면도와 평면도이고, 도 4는 도 1의 분해사시도이다.1 is a front view of a directional heat transfer device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a partial enlarged view of FIG. 1, FIG. 3 is a side view and a plan view of FIG. 1, and FIG. 4 is an exploded perspective view of FIG.
방사 열전달부재(100)는 곡면의 저방사율 방사표면(120)과 평면의 고방사율 방사표면(130)을 구비하여 저온공간(500)에서의 열을 흡수 열전달부재(200)로 방사한다. 여기서 곡면에는 포물면이 포함된다.The radiating
이를 위해 방사 열전달부재(100)는 방사 모재(110), 저방사율 방사표면(120), 고방사율 방사표면(130)을 포함하여 이루어진다.To this end, the radiation
방사 모재(110)는 흡수된 적외선이 열에너지로 변환된 후 확산이 용이하도록 열전도도가 높은 알루미늄을 사용한다.The radiation base material 110 uses aluminum with high thermal conductivity to facilitate diffusion after the absorbed infrared rays are converted into thermal energy.
저방사율 방사표면(120)은 방사 열전달부재(100)에 중심 부분에 형성되어 포물면으로 이루어진다. 저방사율 방사표면(120)은 방사 모재(110)인 알루미늄 시트의 전해연마하여 표면조도를 높이고, 이후 고순도 알루미늄을 증착하면 적외선 반사율을 95% 이상 구현 가능하다.The low emissivity radiation surface 120 is formed in the central portion of the radiation
고방사율 방사표면(130)은 방사 열전달부재(100)의 중심 이외의 부분에 형성되어 평면으로 이루어진다. 고방사율 방사표면(130)은 비금속 코팅을 하면 고방사율 표면 구현이 가능하다. 또한 MWCNT(multiwalled carbon nanotube, 다중벽 탄소 나노튜브) 코팅을 통해 1에 가까운 방사율을 구현할 수 있다. 이때 비금속 코팅의 두께는 5um 이상으로 형성하는 것이 좋다.The high emissivity radiation surface 130 is formed in a portion other than the center of the radiation
또한 흡수 열전달부재(200)는 고방사율 표면(130)에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 저방사율 흡수표면(220)과 저방사율 방사표면(120)에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 고방사율 흡수표면(230)을 구비하여 방사 열전달부재(100)에서 방사되는 열을 흡수하여 고온공간(600)으로 전달한다.In addition, the absorbing heat transfer member 200 has a high
흡수 모재(210)는 흡수된 적외선이 열에너지로 변환된 후 확산이 용이하도록 열전도도가 높은 알루미늄을 사용한다.The absorption base material 210 uses aluminum having high thermal conductivity to facilitate diffusion after the absorbed infrared rays are converted into thermal energy.
저방사율 흡수표면(220)은 흡수 열전달부재(200)에 중심 이외의 부분에 형성되어 포물면으로 이루어진다. 저방사율 흡수표면(220)은 방사 모재(210)인 알루미늄 시트의 전해연마하여 표면조도를 높이고, 이후 고순도 알루미늄을 증착하면 적외선 반사율을 95% 이상 구현 가능하다.The low
고방사율 방사표면(230)은 방사 열전달부재(200)의 중심 부분에 형성되어 평면으로 이루어진다. 고방사율 흡수표면(230)은 비금속 코팅을 하면 고방사율 표면 구현이 가능하다. 또한 MWCNT(multiwalled carbon nanotube, 다중벽 탄소 나노튜브) 코팅을 통해 1에 가까운 방사율을 구현할 수 있다. 이때 비금속 코팅의 두께는 5um 이상으로 형성하는 것이 좋다.The high
제1 지지부재는 방사 열전달부재(100)와 흡수 열전달부재를 결합시킨다.The first support member couples the radiation
제2 지지부재(400)는 방사 열전달부재(100)와 흡수 열전달부재(200)와 상기 제1 지지부재(300)를 결합시켜 내부공간(700)을 저온공간(500) 및 고온공간(600)과 분리시킨다.The second support member 400 combines the radiation
제1 지지부재(300)와 제2 지지부재(400)는 발포우레탄인 연질우레탄폼 또는 경질우레탄폼으로 형성할 수 있다.The first support member 300 and the second support member 400 may be formed of a flexible urethane foam or a rigid urethane foam that is foamed urethane.
그래서 방사 열전달부재(100)의 저방사율 방사표면(120)과 흡수 열전달부재(200)의 저방사율 방사표면(220) 및 고방사율 방사표면(230)을 서로 초점이 일치하는 두 개의 포물면으로 형성한다. 방사 열전달부재(100)는 중앙에 포물면을 형성하고 저방사율 표면처리를 하고, 나머지 평면 영역은 고방사율 표면처리를 한다. 흡수 열전달부재(200)는 전체에 포물면을 형성하고 중앙에 고방사율 표면처리를 하고 나머지 영역에 저방사율 표면처리를 한다. 방사 열전달부재(100)와 흡수 열전달부재(200)의 두 표면은 제1 지지부재(300)를 이용해 서로 조립되고, 제2 지지부재(400)를 이용하여 내부공간(700)을 저온공간(500) 및 고온공간(600)과 분리시켜 형성한다.So, the low-emissivity radiating surface 120 of the radiating
제1 지지부재(300)와 제2 지지부재(400)는 복사로 일방향으로 전달된 열에너지가 역류하는 것을 방지하기 위해 열전도도가 낮은 발포우레탄 등을 사용할 수 있다.The first support member 300 and the second support member 400 may be formed of urethane foam with low thermal conductivity to prevent backflow of thermal energy transferred in one direction by radiation.
또한 내부 공간의 공기를 통한 전도와 대류열전달 최소화 하기 위해 공기의 압력이 대기압보다 낮도록 진공상태로 만든다.Also, in order to minimize conduction and convective heat transfer through the air in the interior space, the pressure of the air is made in a vacuum state lower than the atmospheric pressure.
도 5는 도 1에서 열의 방사와 흡수 경로를 보인 도면이다.FIG. 5 is a view showing radiation and absorption paths of heat in FIG. 1 .
도 5에서 빨간 실선(도 5에서 ①)을 보면, 방사 열전달부재(100)의 평면영역인 고방사율 방사표면(130)에서 방사되는 적외선은 큰 포물면을 갖는 흡수 열전달부재(200)의 저방사율 흡수표면(120)에서 반사되어 방사 열전달부재(100)의 저방사율 방사표면(220)으로 전달된다. 그리고 작은 포물면을 갖는 저방사율 방사표면(220)에서 반사되어 흡수 열전달부재(200)의 고방사율 흡수표면(230)으로 흡수된다.Referring to the red solid line (① in FIG. 5) in FIG. 5, the infrared rays emitted from the high-emissivity radiating surface 130, which is the planar area of the radiating
도 5에서 파란 실선(도 5에서 ②)을 보면, 큰 포물면을 갖는 흡수 열전달부재(200)의 고방사율 흡수표면(230)에서 방사되는 적외선은 방사 열전달부재(100)의 작은 포물면을 갖는 저방사율 방사표면(220)으로 전달된다. 그리고 일정 부분을 제외하고 작은 포물면인 저방사율 방사표면(220)에서 반사되어 흡수 열전달부재(200)의 고방사율 흡수표면(230)으로 재흡수 된다.Referring to the blue solid line (② in FIG. 5 ) in FIG. 5 , infrared rays emitted from the high
또한 도 5의 파란 점선(도 5에서 ③)은 흡수 열전달부재(200)의 일부 적외선이 방사 열전달부재(100)로 다시 전달되는 것을 보인 것이다.In addition, the blue dotted line in FIG. 5 ( 3 in FIG. 5 ) shows that some infrared rays of the absorption heat transfer member 200 are transferred back to the radiation
따라서 서로 마주보는 내부 표면의 순 복사열전달은 방사 열전달부재(100)에서 흡수 열전달부재(200)로 이동하게 되어 방향성 열전달이 가능하게 된다.Accordingly, the net radiant heat transfer of the inner surfaces facing each other moves from the radiative
도 6은 본 발명의 단열 성능을 시뮬레이션한 결과를 보인 도면이다.6 is a view showing a simulation result of the thermal insulation performance of the present invention.
그래서 방사 열전달부재(100)에서 흡수 열전달부재(200)로 방향성 열전달이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that the directional heat transfer is made from the radiation
도 7은 방사율과 흡수율의 계산값을 보인 것으로, (a)는 키르히호프 법칙에 따른 방사율과 흡수율의 계산값을 보인 것이고, (b)는 본 발명에 의한 흡수 열전달부재와 흡수 열전달부재의 방사율과 흡수율의 계산값을 보인 도면이다.7 shows the calculated values of emissivity and absorption, (a) shows the calculated values of emissivity and absorption according to Kirchhoff's law, (b) is the emissivity of the absorption heat transfer member and the absorption heat transfer member according to the present invention It is a diagram showing the calculated value of the absorption rate.
도 7의 (a)에서 슈테판 볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann 법칙)은 다음의 수학식 1로 구성된다.In Figure 7 (a), Stefan-Boltzmann law (Stefan-Boltzmann law) is composed of the following equation (1).
여기서 각 항목은 다음을 의미한다.Here, each item means the following.
E : 표면방사력, surface emissive powerE: surface emissive power
ε : 방사율, emissivityε: emissivity
σ : Stefan-Boltzmann 상수, 5.67 x 10-8 Wm-2K-4 σ: Stefan-Boltzmann constant, 5.67 x 10 -8 Wm -2 K -4
TS : 표면의 절대온도(K)T S : Absolute temperature of the surface (K)
따라서 키르히호프 법칙에 따라 방사 부분에서의 표면방사력은 다음과 같이 된다.Therefore, according to Kirchhoff's law, the surface radiation force in the radiating part becomes as follows.
방사율 = 흡수율 = 0.01, T = 273K, Area = 1m2 Emissivity = Absorption = 0.01, T = 273K, Area = 1m 2
E = 0.01 x 5.67 x 10-8 Wm-2K-4 2734 ≒ 3.15W/m2 E = 0.01 x 5.67 x 10 -8 Wm -2 K -4 273 4 ≒ 3.15 W/m 2
또한 흡수 부분에서의 표면방사력은 다음과 같이 된다.In addition, the surface radiation force at the absorption part becomes as follows.
방사율 = 흡수율 = 0.9, T = 273K, Area = 1m2 Emissivity = Absorption = 0.9, T = 273K, Area = 1 m 2
E = 0.9 x 5.67 x 10-8 Wm-2K-4 2734 ≒ 283W/m2 E = 0.9 x 5.67 x 10 -8 Wm -2 K -4 273 4 ≒ 283 W/m 2
따라서 멀티레이어 단열재에의 저방사율 표면처리를 통해서 단열성능 구현함에 있어서 열평형상태의 두 표면이 키르호프 법칙에 의해 순(net) 복사열전달량이 "0"이 되어 버린다.Therefore, in realizing thermal insulation performance through low-emissivity surface treatment for multi-layer insulators, the net radiant heat transfer amount becomes "0" between the two surfaces in thermal equilibrium according to Kirchhoff's law.
도 7의 (b)에서 본 발명은 다음의 방사율을 갖게 된다. In Figure 7 (b), the present invention has the following emissivity.
먼저 방사 열전달부재(100)의 내부표면 방사율은 그 표면의 평균 방사율과 같고, 흡수율은 흡수 열전달부재(200)의 내부표면의 평균 방사율과 같다. 또한 흡수 열전달부재(200)의 내부표면 방사율은 그 표면 방사율과 같고, 흡수율은 방사 열전달부재(100)의 내부표면 평균방사율과 같다.First, the inner surface emissivity of the radiating
방사 열전달부재(100)의 방사율은 0.62, 흡수율은 0.35, T = 273K, 면적은 1m2 이다.The radiant
방사 열전달부재(100)의 저방사율 방사표면(120)은 방사율이 0.01이 되고, 고방사율 방사표면은(130)은 방사율이 0.9가 된다. 평균 방사율은 0.62가 된다.The emissivity of the low emissivity emissivity surface 120 of the radiating
또한 흡수 열전달부재(200)의 방사율은 0.35, 흡수율은 0.62, T = 273K, 면적은 1m2 이다.In addition, the emissivity of the absorption heat transfer member 200 is 0.35, the absorption is 0.62, T = 273K, the area is 1 m 2 .
흡수 열전달부재(100)의 저방사율 방사표면(220)은 방사율이 0.01, 고방사율 흡수표면(230)은 방사율이 0.9이 된다. 평균 방사율은 0.35이다.The low
따라서 고방사율 방사표면(130)의 표면 방사는 195W/m2가 되고, 고방사율 흡수표면(230)은 이중 121W/m2를 표면흡수한다.Accordingly, the surface radiation of the high emissivity emitting surface 130 is 195 W/m 2 , and the high
또한 저방사율 흡수표면(220)은 110W/m2를 표면 방사하게 되고, 고방사율 방사표면(130)은 38W/m2를 표면 흡수한다.In addition, the low-
따라서 제곱미터당 약 82W/m2(= 121W/m2 - 39W/m2)를 방사 열전달부재(100)에서 흡수 열전달부재(200)로 전달할 수 있게 된다.Accordingly, about 82W/m 2 (= 121W/m 2 -39W/m 2 ) per square meter can be transferred from the radiant
도 8은 단열성능을 비교한 것으로, (a)는 본 발명에 의한 단열성능을 보인 것이고, (b)는 종래 진공단열재에 의한 단열성능을 보인 것이다.8 shows a comparison of the thermal insulation performance, (a) shows the thermal insulation performance according to the present invention, (b) shows the thermal insulation performance by the conventional vacuum insulator.
도 7의 경우는 온도가 같은 표면에서의 순 복사 열전달량을 계산한 결과이다. 그러나 흡수 열전달부재(200)는 지속적으로 가열되고, 방사 열전달부재(100)는 지속적으로 냉각됨으로써 열적평형 상태는 과도상태로 변화하게 된다. 이때 두 표면간 일정 이상의 온도차가 발생하면, 지지부재(300, 400)와 내부공기의 전도와 내부공기의 대류 통해서 흡수 열전달부재(200)에서 방사 열전달부재(100)로 열전달이 이루어지며, 모든 구성 요소들의 온도가 포화될 때 열전달 다이어그램은 도 8과 같이 된다. 도 8의 (b)는 일반적인 진공단열재의 열전달 그림으로서, 종래의 진공단열재는 순 복사 열전달량이 "0"에 근접하게 된다. 따라서 종래의 진공단열재에서는 대류를 억제하고 구성요소의 열전도도를 낮추어 단열성능을 구현하게 된다. 하지만 본 발명을 적용한다면, 대류 억제나 구성요소의 열전도도를 낮추지 않고도 단열성능의 개선이 가능하게 된다.The case of FIG. 7 is a result of calculating the net radiant heat transfer amount on a surface having the same temperature. However, the absorption heat transfer member 200 is continuously heated, and the radiation
도 9는 본 발명과 종래 단열재의 단열성능을 도식화한 도면이다.9 is a diagram schematically showing the thermal insulation performance of the present invention and the conventional thermal insulation material.
따라서 본 발명은 종래의 일반단열재 또는 진공단열재보다 더 뛰어난 단열성능을 보여주게 된다.Therefore, the present invention shows better thermal insulation performance than the conventional general thermal insulation material or vacuum insulation material.
한편 방사 열전달부재(100)는 두께 0.1mm 고광택 알루미늄시트에 초점거리 0.2mm의 포물면을 형성하고, 포물면 이외의 모든 영역에 도료를 코팅하여 완성한다. 흡수 열전달부재(200)는 두께 0.1mm 고광택 알루미늄시트에 초점거리 1.8mm의 포물면을 형성하고, 포물면 중앙에 도료를 코팅하여 완성한다. 두 부재를 초점이 일치하도록 배치하고, 흡수 열전달부재(200)의 평면영역에 지지부재를 도포하고 방사 열전달부재(100)와 접합한다.On the other hand, the radiation
5mm x 5mm 단위모듈에 있어서 저온공간을 밀폐하여 진공으로 설정하고, 지지부재를 길이 1.32mm 단면적 0.3mm x 0.3mm의 발포테프론으로(열전도도 0.07W/mK) 설정하면, 방사 열전달부재(100)와 흡수 열전달부재(200)의 온도차의 5% 정도의 열량(온도차가 1℃일 경우 0.05W) 열전달이 이루어진다.In the 5mm x 5mm unit module, when the low-temperature space is sealed and vacuum is set, and the support member is set with foamed Teflon (thermal conductivity 0.07W/mK) with a length of 1.32mm and a cross-sectional area of 0.3mm x 0.3mm (thermal conductivity 0.07W/mK), radiant heat transfer member (100) Heat transfer of about 5% of the temperature difference between the heat transfer member 200 and the absorption heat transfer member 200 (0.05 W when the temperature difference is 1° C.) is performed.
반면 표면에서 방사되는 에너지는 q = εσT4 = 0.95 x 5.67 x 10-8 x (25 + 273)4 = 424W/m2 이므로, 5mm x 5mm 단위 모듈에서 방사 열전달부재(100)에서 흡수 열전달부재(200)로 1.06W/25mm2 의 에너지가 복사로 이동되며, 단위 모듈당 약 1W의 히트펌핑이 가능하다.On the other hand, the energy radiated from the surface is q = εσT 4 = 0.95 x 5.67 x 10 -8 x (25 + 273) 4 = 424W/m 2 200), energy of 1.06W/25mm 2 is transferred by radiation, and about 1W of heat pumping is possible per unit module.
본 발명에 의한 장치를 냉난방이 필요한 건물/수송수장치와 냉온장 장치에 사용하여 에너지효율을 향상시킬 수 있다. 예를들면, 830L 전기냉장고의 크기가 약 0.9m x 0.9m x 1.8m이며, 냉장고의 좌우후면에 본 단열재를 적용한다면, 2.7 x 1.8 = 4.86m2의 면적에 적용할 수 있다. 또한 4.86m2 x 424W/m2 = 2kW의 에너지를 펌핑하는 것이 가능하여, 전기일 없이 냉장고의 사용이 가능하다.Energy efficiency can be improved by using the device according to the present invention in a building/transportation water system and cold/hot storage system requiring heating and cooling. For example, the size of the 830L electric refrigerator is about 0.9mx 0.9mx 1.8m, and if this insulation is applied to the left and right sides of the refrigerator, it can be applied to an area of 2.7 x 1.8 = 4.86m 2 . In addition, it is possible to pump 4.86m 2 x 424W/m 2 = 2kW of energy, making it possible to use the refrigerator without electricity.
참고로 380L 1등급 전기냉장고의 연간소비전력량이 370kWh이므로, 370/(365일/년 x 24시간) = 0.04kW의 평균에너지를 소비한다.For reference, the annual power consumption of the
이처럼 본 발명은 열전달부재의 마주보는 표면을 저방사율과 고방사율의 곡면으로 구성하여 열전달 장치가 방향성을 갖도록 하여 단열성능을 향상시키게 된다.As such, in the present invention, the heat transfer device has a directionality by configuring the opposite surface of the heat transfer member with curved surfaces of low emissivity and high emissivity, thereby improving thermal insulation performance.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the present invention has been described in more detail with reference to examples above, the present invention is not necessarily limited to these examples, and various modifications may be made within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
100 : 방사 열전단부재
110 : 방사 모재
120 : 저방사율 방사표면
130 : 고방사율 방사표면
200 : 흡수 열전달부재
210 : 흡수 모재
220 : 저방사율 흡수표면
230 : 고방사율 흡수표면
300 : 제1 지지부재
400 : 제2 지지부재
500 : 저온공간
600 : 고온공간
700 : 내부공간100: radiant heat shear member
110: spinning base material
120: low emissivity emitting surface
130: high emissivity emitting surface
200: absorption heat transfer member
210: absorbent base material
220: low emissivity absorption surface
230: high emissivity absorption surface
300: first support member
400: second support member
500: low temperature space
600: high temperature space
700: internal space
Claims (7)
상기 고방사율 표면에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 저방사율 흡수표면과 상기 저방사율 방사표면에서 방사되는 열을 흡수하도록 곡면으로 형성된 고방사율 흡수표면을 구비하여 상기 방사 열전달부재에서 방사되는 열을 흡수하여 고온공간으로 전달하는 흡수 열전달부재;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.
a radiation heat transfer member having a curved low-emissivity radiation surface and a planar high-emissivity radiation surface to radiate heat in a low-temperature space to the absorption heat transfer member;
A low emissivity absorbing surface formed as a curved surface to absorb heat radiated from the high emissivity surface and a high emissivity absorbing surface formed as a curved surface to absorb heat radiated from the low emissivity surface to absorb heat radiated from the radiating heat transfer member an absorption heat transfer member that absorbs and transfers it to a high-temperature space;
Directional heat transfer device comprising a.
상기 방사 열전달부재의 방사 모재와 상기 흡수 열전달부재의 흡수 모재는, 각각 알루미늄으로 구성된 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.
The method according to claim 1,
A directional heat transfer device, characterized in that each of the radiation base material of the radiation heat transfer member and the absorption base material of the absorption heat transfer member is made of aluminum.
상기 방사 열전달부재의 상기 저방사율 방사표면과 상기 흡수 열전달부재의 저방사율 흡수표면은, 각각 알루미늄 시트의 전해연마와 고순도 알루미늄의 증착으로 형성된 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.
The method according to claim 1,
The directional heat transfer device, characterized in that the low emissivity radiating surface of the radiating heat transfer member and the low emissivity absorbing surface of the absorbing heat transfer member are formed by electrolytic polishing of an aluminum sheet and deposition of high-purity aluminum, respectively.
상기 방사 열전달부재의 상기 고방사율 방사표면과 상기 흡수 열전달부재의 고방사율 흡수표면은, 각각 비금속 코팅 또는 MWCNT 코팅을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.
The method according to claim 1,
The directional heat transfer device, characterized in that the high emissivity radiating surface of the radiating heat transfer member and the high emissivity absorbing surface of the absorbing heat transfer member are formed through a non-metallic coating or MWCNT coating, respectively.
상기 방향성 열전달 장치는, 상기 방사 열전달부재와 상기 흡수 열전달부재를 결합시키는 제1 지지부재와; 상기 방사 열전달부재(100)와 상기 흡수 열전달부재(200)와 상기 제1 지지부재(300)를 결합시켜 내부공간(700)을 저온공간(500) 및 고온공간(600)과 분리시키는 제2 지지부재(400);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.
The method according to claim 1,
The directional heat transfer device may include: a first support member coupling the radiation heat transfer member and the absorption heat transfer member; A second support for separating the inner space 700 from the low-temperature space 500 and the high-temperature space 600 by coupling the radiating heat transfer member 100 , the absorption heat transfer member 200 , and the first support member 300 . A directional heat transfer device comprising a; member (400).
상기 제1 및 제2 지지부재는, 연질우레탄폼 또는 경질우레탄폼인 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.
The method according to claim 1,
The first and second support members are directional heat transfer device, characterized in that the flexible urethane foam or rigid urethane foam.
상기 방향성 열전달 장치는, 내부가 진공으로 형성된 것을 특징으로 하는 방향성 열전달 장치.The method according to claim 1,
The directional heat transfer device is a directional heat transfer device, characterized in that the inside is formed in a vacuum.
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