KR20140001200A - 열전달 및 수분전달 기능이 개선된 2중 공기흐름 교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 2개의 공기흐름 사이에서 열전달 및 수분전달을 가능하게 하고, 축조방향(4)을 따라 서로의 위에 쌓이고 수증기에 대한 투과성과 공기에 대한 비투과성을 갖는 멤브레인(6)에 의해 둘씩 짝을 지어 분리된 다수의 공기 순환망(2a, 2b)을 포함하는 2중 공기흐름 교환기(1)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 망 중 적어도 1개는 2개의 측면이 상기 멤브레인(6) 2개와 연결된 벌집구조로부터 만들어지며, 상기 벌집구조는 축조방향(4)과 평행한 축(12)을 구비한 원통형 셀(10)을 갖고, 공기가 통과할 수 있도록 벌집구조내의 상기 셀을 형성하는 적어도 몇 개의 면이 천공된다.

Description

열전달 및 수분전달 기능이 개선된 2중 공기흐름 교환기{DUAL AIR FLOW EXCHANGER WITH ENHANCED HEAT AND HUMIDITY TRANSFERS}

본 발명은, 교환기(exchanger)를 통과하는 2개의 공기흐름 사이에서 열전달 및 수분전달을 가능하게 하는 타입의 2중 공기흐름 교환기에 관한 것이다. 또한, 상기와 같이 2중 교환을 제공하는 교환기는 "전열 교환기(total exchanger)" 또는 "엔탈피 교환기(enthalpic exchanger)"로 알려져 있다.

본 발명은 가정이나 다른 빌딩에 적용하기 위한 공기처리(air treatment) 및 공기조화(air conditioning) 시스템에 관한 것이다. 상기 용도의 교환기는, 더 습한 매체(medium)로부터 더 건조한 매체를 향하여 흐르는 오염된 공기와 신선한 공기의 흐름 사이에서 열전달(heat transfer)을 보장하고 또한 상기 2개 공기의 흐름 사이에서의 수분전달을 보장한다.

본 발명은 다른 기술분야, 예를 들어 초저온 또는 열회수 분야에서도 사용될 수 있다.

상기 교환기는 종래 기술에서 널리 알려져 있다. 그러나 열전달 및 수분전달의 효율 관점에서 상기 교환기를 최적화할 필요가 있다.

상기 필요성은, 2개의 공기흐름 사이에서 열전달 및 수분전달을 가능하게 하고, 축조방향을 따라 서로의 위에 쌓이고 수증기에 대한 투과성과 공기에 대한 비투과성을 구비한 멤브레인(membrane)에 의해 둘씩 짝을 지어 분리된 다수의 공기 순환망(air circulation network)을 포함하는 2중 공기흐름 교환기를 개시한 본 발명에 의해 충족된다. 본 발명에 따라, 상기 망의 적어도 1개는 2개 측면이 상기 멤브레인 2개와 연결된 벌집구조(honeycomb structure)로 만들어지는데, 이 벌집구조는 상기 축조방향과 평행한 축을 구비한 원통형 셀(cylindrical cell)을 갖고, 벌집구조에서 상기 셀을 형성하는 적어도 몇 개의 면은 공기가 통과할 수 있도록 천공된다.

본 발명은 교환기의 벌집구조 및 셀의 배향을 채택함으로써 2개의 공기흐름 사이에서의 열전달을 최적화하는 것이 특징이다. 다각형 및 육각형의 셀 모양은 상기 셀들로 이루어진 2차 교환 표면(the secondary exchange surface)을 증가시킨다. 상기 2차 표면은 소위 “핀(fin)” 효과를 유발하는데, 상기 핀 효과는 상기 셀의 몇 개가 비천공될 때 더욱 증가한다. 또한, 셀의 다각형 모양에 기인하여, 유체 재순환(fluid recirculation)은 공기흐름과 멤브레인 사이에서의 대류 교환(convective exchanges)을 최적화한다. 셀의 비천공면과 천공면을 선별적으로 선택함으로써, 상기 재순환은 당면한 요구에 대해 적용되는 하나의 기능이 될 수 있다. 예를 들어, 벌집구조 내에 만들어진 상기 구멍은 공기흐름이 상기 구조로부터 추출되기 전에 구조 내에서 몇 개의 흐름을 만들도록 설계될 수 있다. 또 다른 실시예에서는 벌집구조 내에서 공기흐름 분배구역(distribution zone) 및/또는 수집구역(collection zone)을 생성할 수 있다.

개선된 열전도를 위해서, 상기 벌집구조는 바람직하게는 금속이 될 수 있다.

본 발명은 멤브레인의 많은 부분이 활성화되도록 유지함으로써 2개의 공기흐름 사이에서 수분전달을 실행하는 것이 특징이다. 수증기에 대한 투과성과 공기에 대한 비투과성을 갖춘 각 멤브레인은 연결구조인 셀의 모서리와 접촉하여, 수증기 교환을 위해 중요한 유용한 잔여 표면(useful remaining surface)을 형성한다.

벌집구조 및 셀의 특정 배향을 사용하기 때문에 교환기의 기계적 강도는 매우 만족할 만하다.

바람직하게, 상기 교환기는 교환기 내부에서의 공기 순환이 병류(co-currents), 횡류(cross currents), 더욱 바람직하게는 역류(counter-currents)로 일어나도록 설계된다.

바람직하게, 상기 멤브레인은 고분자 물질 또는 종이로 만들어진다.

바람직하게, 상기 망 각각은 벌집구조로부터 만들어진다. 그럼에도, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위에서의 변경이 가능하다.

바람직하게, 상기 망의 적어도 1개는 축조방향을 따라 연이어 인접한 망의 적어도 1개 내의 셀의 축으로부터 오프셋(offset)되는 셀 축(axes)을 갖는다. 이로 인하여 교환기의 기계적 강도가 강화된다. 상기 관점에서, 교환기내에서 상기 벌집구조는 축조방향을 따라 엇갈림배열의 형태를 갖는 것이 바람직하다.

마지막으로, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 기술한 교환기를 포함하는 공기처리 및 공기조화 시스템이다.

본 발명의 다른 장점 및 특징은 발명에 대해 제한되지 않은 하기 기술에 의해 명확해진다.

상기 기술은 하기와 같은 참조부호를 갖는 첨부도면에 의해 이루어진다:

- 도 1은 본 발명에 따른 2중 공기흐름 교환기를 포함하는 공기 처리 및 조화 시스템의 정면도를 개략적으로 나타낸다;

- 도 2는 도 1의 교환기에 관해 더욱 자세한 투시도를 개략적으로 나타낸다;

- 도 3은 도 2의 면 P2에서, 교환기의 공기순환망 일부에 대한 단면도이다;

- 도 4는 도 2의 면 P1에서, 교환기 일부에 대한 단면도이다;

- 도 5는 도 2내지 4의 교환기 일부에 관한 투시도이다;

- 도 6은 교환기의 공기순환망을 형성하는 셀 1개에 관한 투시도이다; 그리고

- 도 7은 도 2와 유사한, 본 발명의 다른 구체예에서의 교환기이다.

도 1은, 빌딩(102)에 설치된, 공기처리 및 조화 시스템(100)을 나타낸다. 상기 시스템(100)은 특히 본 발명에 따른 2중 공기흐름 교환기(1)를 포함한다. 상기의 경우에, 상기 교환기(1)는 빌딩(102)으로부터 발생하는 오염된 공기흐름 A 및 빌딩으로 들어오는 신선한 공기흐름 B 사이에서 열전달을 보장한다. 즉, 빌딩(102)에서 공기를 교체하는데 있어, 자체 열전달기(1)로 갖춘 시스템(100)은, 가정에서 배출된 오염된 공기 A로부터 열 또는 냉기를 회수하고, 유입되는 신선한 공기흐름 B에 상기 열 또는 냉기를 공급한다. 따라서, 시스템(100)은 빌딩(102)의 가열 또는 공기조화를 위해 낭비된 에너지를 보존하게 된다.

예를 들어, 오염된 공기흐름 A는 빌딩에서 배출되기 전에 22°C 일 수 있고, 신선한 공기흐름 B는 빌딩에 유입되기 전 0°C일 수 있다. 교환기에서의 열전달 후에, 상기 흐름 B는 빌딩에 유입되어 교환기에서 배출된 온도가 20°C에 도달 할 수 있고, 상기 흐름 A는 교환기 및 빌딩에서 배출되어 2°C로 냉각될 수 있다.

도 1에서 상기 시스템(100)은 2개의 팬(fan, 104)에 의해 구성되어, 상기 팬은 흐름 A 및 B의 순환을 발생시킨다.

상기 교환기(1)는, 더 습한 매체(medium)으로부터 더 건조한 매체를 향해 흐르는 상기 2개의 흐름 A 및 B 사이에서 수분전달을 제공하도록 설계된다. 따라서, 상기 교환기(1)는 전열 교환기 또는 엔탈피 교환기로서 자격을 갖추게 된다.

도 2는, 축조방향(4)을 따라 서로의 위에 쌓인 다수의 공기 순환망(2a, 2b)을 포함하는 교환기(1)를 개략적으로 도시한다. 상기 망(2a, 2b)은 교대로 설치되고, 도 2에서 개략적으로 도시된 화살표와 같이, 오염된 공기 A의 순환과 유입하는 신선한 공기 B의 순환 각각을 위해 설계된다. 상기 교환기는 역류 교환기로서, 망(2a)에서의 흐름방향 A는 망(2b)에서의 흐름 방향 B와는 반대이다.

수증기에 대한 투과성과 공기에 대한 비투과성을 갖는 폴리머 멤브레인(6)은 방향(4)을 따라 서로가 연이어 놓인 망(2a, 2b) 사이에 제공된다. 따라서, 2개의 흐름 A 및 B 사이의 수분전달은 둘씩 짝을 지어 있는 망을 분리시키는 상기 멤브레인(6)을 통해 일어난다.

그러므로, 망(2a, 2b) 사이에 삽입된 상기 멤브레인(6)은 상기 망에 의해 지지된다. 전체 스택(stack)은 케이지 또는 엔벨로프(cage or envelope, 8) 에 삽입되어, 누설방지(leak tightness)를 제공하며 망과 망(2a, 2b) 사이의 투과(communication)를 방지한다.

도 3 내지 도 6은 멤브레인(6) 및 망(2a, 2b)의 스택을 좀 더 자세하게 도시한 것이다.

전체적으로, 각 망(2a, 2b)은 축조방향(4)에 평행한 축(12)을 갖는 6각형 단면을 구비한 원통형 셀(10)이 존재하는 금속 벌집구조로 만들어진다. 결과적으로, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 셀(10)의 최정상부 및 바닥부 모서리만이 멤브레인(6)과 접촉한다.

또한, 구조(2a, 2b)를 통하여 공기흐름을 순환시키기 위해, 상기 셀의 축(12)에 대하여 직각인 평면에서 셀을 형성하는 면의 적어도 일부는 천공되어야 한다. 상기 구멍(14)은 모든 면에 또는 오직 면의 일부분에만 제공되고, 바람직하게는 해당 면의 사각 중심에 놓이는 형태이다. 각 구멍(14)의 표면 영역은 구멍이 만들어지는 셀 면적의 40 내지 75 % 범위일 수 있다.

따라서, 도 3에 개략적으로 도시된바와 같이, 오염된 공기흐름 A는 구조 (2a)로부터 벗어나기 전에 상기 구조(2a)를 통해 불고, 구멍(14)을 통해 하나의 셀에서 다음 셀까지 통과한다. 명백하게, 신선한 공기흐름 B 역시 벌집구조(2b)를 통과하는 것은 마찬가지이다. 일반적으로, 상기 구성은 2개의 공기흐름 A 및 B 사이에서 열전달 및 수증기전달을 개선한다.

특히 벌집구조로 인하여, 스택의 기계적 강도 또한 매우 만족스럽다. 또한, 상기 구조(2a, 2b)는 바람직하게는 서로로부터 오프셋(offset) 되므로 서로에 대해 직접 연이어 놓인 구조(2a, 2b)내의 상기 셀의 축(12)은 일치하지 않는다. 예를 들어, 축조방향을 따라 엇갈림 배열(staggered arrangement)이 선택되는데, 상기 배열에서 모든 구조(2a)는 상기 셀의 축(12)이 짝을 지어 일치하는 모양을 갖도록 모두 같은 위치에 놓이고, 구조(2b)도 또한 상기 셀의 축(12)이 짝을 지어 일치하는 모양을 갖도록 모두 같은 위치에 놓인다. 그럼에도 불구하고, 도 5와 같이, 각 구조(2a)는 축조방향(4) 및 상기 축조방향(4)에 수직인 평면 방향을 따라 연이어 인접한 구조(2b)로부터 오프셋된다. 상기 오프셋은 셀의 반쪽 너비(half-cell width)와 동일하거나 그에 근접할 수 있다.

본 발명은 천공면과 비천공면을 분별하여 선택함으로써 각 구조(2a, 2b) 내에서의 흐름 순환(flow circulation)에 대한 완벽한 제어를 제공한다. 예를 들어, 도 7의 다른 실시예에서, 공기흐름 분배구역 및 공기흐름 수집구역이 각 벌집구조(2a, 2b) 내에 형성된다.

구조(2a) 각각에 대하여, 상기 구조는, 상기 흐름 A의 주입구 모서리(inlet edge)에 인접한 몇 개 셀을 제외하고는, 상기 셀(10)의 면 각각에 구멍을 갖는다.

상부 구조 (2a)의 유입구 모서리(inlet edge) 우측 반쪽만이 구조로 유입되는 흐름 A를 위해 설계되고, 도 7과 같이 다른 반쪽은 폐쇄된다. 또한, 도 7의 회색 영역과 같이, 셀의 몇 개 면은 흐름 A의 분배구역(18)을 생성하기 위해 천공되지 않는다. 평면도에서 보는 바와 같이, 상기 면은 유입구 모서리 2개 반쪽 사이의 점합점에서 시작하여 흐름 A의 전체 방향에 대해 좌측으로 확장하는 라인(20)을 형성한다. 결과적으로, 분배구역(18)을 따르는 흐름은 밀폐선(air tight line, 20)을 따라 안내되어, 구조 반쪽으로부터 구조 전체 너비로 확장한다.

또한, 상부 구조(2a)의 배출구 좌측 반쪽만이 구조로부터 추출되는 흐름 A를 위해 설계되고, 7과 같이 다른 반쪽은 폐쇄된다. 또한, 몇 개 셀의 면은 도 7의 회색 영역과 같이, 흐름 A의 수집구역(22)을 생성하기 위하여 천공되지 않는다. 평면도에서 보는 바와 같이, 상기 면은 배출구 모서리(outlet edge)의 2개 반쪽사이의 접합점에서 시작하여 흐름 A방향의 반대 방향을 따라, 우측으로 확장하는 라인(24)을 형성한다. 결과적으로, 수집구역(22)을 따르는 흐름은 밀폐선(24)을 따라 안내되어, 구조 전체로부터 구조 반쪽 너비로 점차 좁아진다.

상기 구성은 바람직하게는 모든 구조(2a)에 적용될 수 있는데, 반면 구조 (2b)는 상기 구성의 반대되는 구성을 취하도록 설계된다. 결과적으로, 도 7에서 흐름 A의 유입은 스택 우측 반쪽 전체높이에서 일어나는 반면, 흐름 A의 배출은 스택 좌측 반쪽 전체 높이에서 일어난다. 유사하게, 역류인 흐름 B의 유입은 스택의 우측 반쪽 전체 높이에서 일어나는 반면, 흐름 B의 배출은 스택 좌측 전체높이에서 일어난다.

따라서, 교환기(1)의 전면은 흐름 A의 유입을 위한 우측 반쪽과 흐름 B의 유출을 위한 좌측 반쪽을 갖는 반면, 상기 교환기의 후면은 흐름 B의 유입을 위한 우측 반쪽과 흐름 A의 배출을 위한 좌측 반쪽을 갖는다.

안내를 위해, 셀을 형성하기 위한 용접 이전에 벌집구조(2a, 2b)의 조립은 프레스(press)에 의한 물결모양의 알루미늄 또는 다른 금속으로 만들어진 플레이트/시트를 사용하여 종래와 같이 이뤄질 수 있다. 바람직하게 면의 상기 구멍은, 예를 들어 레이저 커팅(laser cutting)이나 워터 젯 커팅(water jet cutting) 또는 스탬핑(stamping)에 의한 프레싱 단계 전에 만들어진다.

명백하게, 본 발명은 실시예에 한정되지 않으며, 당업자에 의한 본 발명에 대한 다양한 변경을 포함한다.

Claims (8)

1. 2개의 공기흐름 사이에서 열전달 및 수분전달을 가능하게 하고, 축조방향(4)을 따라 서로의 위에 쌓이며 수증기에 대한 투과성과 공기에 대한 비투과성을 갖는 멤브레인(6)에 의해 둘씩 짝을 지어 분리된 다수의 공기 순환망(2a, 2b)을 포함하는 2중 공기흐름 교환기(1)에 있어서,
   상기 망(2a, 2b)의 적어도 1개는 2개의 측면이 상기 멤브레인(6) 2개와 연결된 벌집구조로부터 만들어지며, 상기 벌집구조는 상기 축조방향(4)과 평행한 축(12)을 구비한 원통형 셀(10)을 갖고, 벌집구조 내에서 공기가 통과할 수 있도록 상기 셀을 형성하는 적어도 몇 개의 면이 천공된 것을 특징으로 하는 2중 공기흐름 교환기.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 원통형 셀(10)은 6각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 2중 공기흐름 교환기.
   
3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 교환기 내부의 공기순환은 병류(co-current), 횡류(cross current) 또는 역류(counter-current)가 되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 2중 공기흐름 교환기.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인(6)은 고분자 또는 종이로 만들어지는 것을 특징으로 하는 2중 공기흐름 교환기.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 망(2a, 2b)의 각각은 벌집구조인 것을 특징으로 하는 2중 공기흐름 교환기.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 망(2a, 2b)의 적어도 1개는 축조방향(4)을 따라 연이어 인접한 망(2a, 2b)의 적어도 1개 내의 셀의 축(12)으로부터 오프셋되는 셀 축(12)을 갖는 것을 특징으로 하는 2중 공기흐름 교환기.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각 벌집구조는 금속인 것을 특징으로 하는 2중 공기흐름 교환기.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 교환기(1)를 포함하는 공기처리 및 공기조화 시스템(100).

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