KR100373385B1 - 열전소자를 이용한 냉각장치의 수냉식 방열구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기밀된 순환구조가 제공된 복수개의 방열조를 같은 숫자의 열전소자의 발열면에 설치하고, 이같은 방열조와 연결되는 방열수 순환관로 상에 핀 타입의 방열기를 구비시킴으로서, 열전소자 발열면의 열이 수냉방식에 의해 효과적으로 방출됨에 따라 그 반대측에 위치한 흡열면의 온도를 한층 저하시킬 수 있어 냉각장치의 냉각효율이 극대화되도록 하는 열전소자를 이용한 냉각장치에 관한 것이다.

이같은 본 고안은, 단일몸체의 냉각조(10)와; 상기 냉각조에 그 일면을 밀착한 채, 상호 인접하게 설치되는 복수개의 단위 열전소자(20)와; 상기 단위 열전소자의 갯수와 동일하게 제공되어 단위 열전소자의 타면과 접하며, 그 내부공간이 상호 연통된체 그 연결부위가 가스켓으로 수밀되는 복수개의 단위 방열조(30)와; 상기 각 단위 방열조의 방열수가 외부로 순환되도록 하며, 그 관로 상에 핀 타입의 방열기(61)가 제공되는 방열수 순환관(60);을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

열전소자를 이용한 냉각장치의 수냉식 방열구조{water­cooled radiation structure for a cooling device using peltier­module}

본 발명은 열전소자를 이용한 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기밀된 순환구조가 제공된 복수개의 방열조를 같은 숫자의 열전소자의 발열면에 설치하고, 이같은 방열조와 연결되는 방열수 순환관로 상에 핀 타입의 방열기를 구비시킴으로서, 열전소자 발열면의 열이 수냉방식에 의해 효과적으로 방출됨에 따라 그반대측에 위치한 흡열면의 온도를 한층 저하시킬 수 있어 냉각장치의 냉각효율이 극대화되도록 하는 열전소자를 이용한 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로, 열전소자는 서로 다른 2개의 반도체를 접합하여 구성하는 것으로, 전류를 인가하게 되면 펠티어 효과에 의해 그 양면에서 흡열 및 발열작용이 각기 발생되는 것이다.

(※ 펠티어 효과: 이종의 금속 또는 반도체를 접속하여 폐회로를 만들고, 이같은 폐회로에 전류를 흘리면 주울열 이외의 열이 그 접점에 발생 또는 흡수되는 현상)

열전소자는 이러한 성질에 의해 냉각장치에 널리 이용되는 것으로서, 그 일면에서 발생되는 흡열작용을 이용하여 냉각 대상물을 직접 또는 간접적으로 냉각시키게 되며, 이같은 흡열면의 반대측에 위치한 발열면에는 알루미늄 방열판을 설치하여 흡수된 열을 외부로 방출하게 되는 것이다. 이때, 상기 방열판은 공기중에 노출되어 공냉 방식으로 열을 방출하게 되는 것이다.

그러나, 이같은 열전소자를 이용한 종래의 냉각장치는 그 발열면의 방열효율이 알루미늄 방열판의 공기접촉 면적에 따라 결정되는 것이지만, 상기와 같은 공냉에 의한 냉각 방식으로는 방열판의 온도를 대기온도 20℃ 이하로 저하시키는데 어려움이 따르는 것이었다.

이에 따라, 발열면과 흡열면의 온도차가 20도 이하일 경우에 가장 냉각효율이 우수하다는 열전소자의 특성을 고려할때 냉각 대상물을 대기온도 이하로 냉각시키기 곤란하다는 문제점이 발생되었다.

또한, 열전소자는 그 제조 공정상 동일한 용량의 소자라 하더라도 그 두께가 일정치 못하게 되는 성형상의 어려움이 있었으며, 이러한 이유로 다수개의 열전소자를 사용하여 대용량을 갖도록 한 냉각장치인 경우에는 각 열전소자 간의 연결면이 불규칙하게 되어 그 냉각효율이 크게 저하되는 문제점이 발생되었다.

즉, 각 연결소자의 흡열면을 냉각조에 밀착하게 되면, 그 반대측에 위치하는 발열면은 열전소자 간의 두께차에 의해 그 연결부위가 수평을 유지하지 못하고 함몰 및 돌출이 반복되는 요철면을 이루게 되는 것이다.

이에 따라, 상기와 같이 요철을 이루면서 연결된 열전소자의 발열면과 접촉되는 방열조는, 돌출된 열전소자 다시말해 두께가 두꺼운 열전소자 표면과의 접촉부는 밀착된 상태를 유지하는 것이지만, 상대적으로 두께가 얇아 함몰되어 있는 열전소자 표면과의 사이에는 소정 폭의 이격 틈새가 발생되는 것이었다.

이같은 이유로, 열전소자의 발열면으로부터 방출되는 열이 방열판으로 적절히 전달되지 못해 방열효율이 떨이짐에 따라, 그 반대측에 위치한 흡열면의 냉각온도가 상승되는 결과를 가져와 냉각장치의 냉각성능을 저하시키는 요인으로 작용하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 열전소자의 발열면에 방열조를 결합하고, 이같은 방열조와 연결되는 방열수 순환관로 상에 핀 타입의 방열기를 설치하므로서, 열전소자 발열면의 방열효율을 수냉방식에 의해 크게 증대시키고, 그로 인해 반대측에 위치한 냉각면의 온도를 크게 저하시킬 수있게 되어, 냉각효과의 극대화를 가져오는 열전소자를 이용한 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 또한, 상호 인접하게 설치되는 복수개의 열전소자와 그 양면에 접하는 냉각조 및 방열조의 밀착효율을 증대시켜, 복수개의 열전소자를 이용한 대용량의 냉각장치가 항상 최고의 냉각성능을 발휘할 수 있도록 하는데 다른 목적이 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 전체구성 및 그 사용상태를 나타낸 구성도

도 2는 본 발명의 요부 구조를 나타낸 측면도

도 3은 본 발명의 일부분을 나타낸 분해사시도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10: 냉각조 11: 냉각수 배출관 12: 냉각수 유입관 13: 냉각수 순환관 20: 단위 열전소자 30: 단위 방열조 31: 방열수 유통공 40: 가스켓 50: 보강판 51: 조임부재 60: 방열수 순환관 61: 방열기 70,70a: 지지판재 71: 체결구 80: 탄성체 90,90a: 펌프

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 단일몸체의 냉각조와; 상기 냉각조에 그 일면을 밀착한 채, 상호 인접하게 설치되는 복수개의 단위 열전소자와; 상기 단위 열전소자의 갯수와 동일하게 제공되어 단위 열전소자의 타면과 접하며, 그 내부공간이 상호 연통된체 그 열결부위가 가스켓으로 수밀되는 복수개의 단위 방열조와; 상기 각 단위 방열조의 방열수가 외부로 순환되도록 하며, 그 관로 상에 핀 타입의 방열기가 제공되는 방열수 순환관;을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명은 또한, 상기 단위 열전소자 및 그 양측에 위치하는 냉각조와 단위 방열조를 견고하게 체결 지지하도록 한 쌍의 지지판재가 제공되며, 일측의 지지판재와 상기 단위 방열조 사이에 탄성체가 설치되어 상기 단위 열전소자와 단위 방열조 간의 접촉면이 항상 소정의 압력으로 긴밀하게 밀착되도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명은 또한, 상기 탄성체는 판스프링인 것을 특징으로 하는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 전체구성 및 그 사용상태를 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명의 요부 구조를 나타낸 측면도이며, 도 3은 본 발명의 일부분을 나타낸 분해사시도이다.

본 발명은 도시된 바와 같이, 냉각조(10), 단위 열전소자(20), 단위 방열조(30), 가스켓(40), 방열수 순환관(60), 지지판재(70,70a), 탄성체(80)를 포함하여 구성되는 것이다.

상기 냉각조(10)는 대용량의 단일 몸체로 이루어져 그 내측에 냉각수를 수용하게 되며, 이같은 냉각조에는 냉각수의 배출관(11) 및 유입관(12)이 제공되는 것이다.

이같은 냉각조(10)의 일면에 복수개의 단위 열전소자(20)가 그 일면을 밀착한 채 상호 인접되도록 설치되는 것이다. 이같은 각각의 단위 열전소자(20)는 그 성형의 곤란성으로 인해 각기 다른 두께를 갖게됨은 물론이며, 이에 따라 상기 냉각조(10)에 일면을 밀착한 단위 열전소자(20)의 반대측은 그 상호 간의 두께차에 의해 수평을 유지하지 못하고 돌출 및 함몰이 반복되는 요철면을 형성하게 되는 것이다.

이러한 복수개의 단위 열전소자(20)와 동일한 갯수로 단위 방열조(30)가 제공되는 것이며, 상기 냉각조(10)에 일면을 밀착한 각 단위 열전소자(20)의 타면에 상기 복수개의 단위 방열조(30)가 각기 접하게 되는 것이다. 그리고, 이렇게 소용량을 갖는 독립된 형태의 단위 방열조(30)가 상호 연결되어 대용량의 방열조를 형성하게 되는 것으로, 이같은 단위 방열조(30) 간의 연결구조는 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 이하 본 실시예를 기준하여 구체적으로 설명한다.

상방향으로 순차적 적층되는 상기 복수개의 단위 방열조(30)에는 방열수 유통공(31)이 각기 천공되는 것으로, 이같은 방열수 유통공(31)은 상하부에 위치하는 단위 방열조(30) 간의 접촉면에 상하 마주보는 상태로 천공되는 것이다. 그리고, 이같은 방열수 유통공(31)의 주연이 수밀을 유지할 수 있도록 각 단위 방열조(30)의 사이에 가스켓(40)이 설치되는 것이다.

또한, 이같은 가스켓(40)의 수밀기능이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록, 상기 적층된 단위 방열조(30)의 상하측 단부에 한 쌍의 보강판(50)을 설치하고, 이같은 보강판(50)에 나비너트 등의 조임부재(51)를 체결하여 그 조작을 통해 상하 양측의 보강판(50)이 상기 단위 방열조(30)를 상하 방향으로 가압하도록 하는 것이다. 이러한 구성에 의해, 상기 단위 방열조(30)와 가스켓(40)은 그 접촉면이 매우 긴밀하게 밀착되는 것이며, 그에 따라 상기 방열수 유통공(31) 주연의 수밀성은 극대화되는 것이다.

이렇게 상호 연결되어 대용량을 형성하는 단위 방열조(30)의 방열수가 외부로 순환되도록 하는 방열수 순환관(60)이 제공되는 것이다. 이같은 방열수 순환관(60)은 그 양측 단부가 상기 단위 방열조(30) 중에서 상하측 단부에 위치하는 단위 방열조에 각기 연결되는 것이며, 이러한 방열수 순환관(60)의 관로 상에 핀 타입의 방열기(61)가 설치되는 것이다.

또한, 전술한 냉각조(10) 및 적층되는 단위 방열조(30)의 벽면을 각기 지지하게 되는 한 쌍의 지지판재(70,70a)가 제공되는 것으로, 이같은 지지판재(70,70a)는 볼트, 너트 등의 체결구(71)에 의해 상호 결속되는 것이다. 이러한 지지판재(70,70a)에 의해 상기 단위 열전소자(20) 및 그 양측에 제공되는 냉각조(10)와 단위 방열조(30)는 유동됨 없이 보다 견고한 결합상태를 유지하게 되는 것이다.

그리고, 이같이 지지판재(70,70a)를 사용하여 단위 열전소자(20)와 그 양측의 냉각조(10) 및 단위 방열조(30)를 지지함에 있어, 상기 일측의 지지판재(70a)와 각 단위 방열조(30) 사이에는 탄성체(80)를 설치하게 되는 것이다. 이같은 탄성체(80)는 상기 각각의 단위 가열조(30)가 단위 열전소자(20)와 밀착되는 방향으로 탄성력을 제공하는 것이고, 열전소자(20)나 체결구(71) 등의 경년 변형이나 열 팽창 또는 수축과 같은 변형에도 불구하고 항상 일정한 가압력으로 방열조(30)와 열전소자(20)의 밀착상태를 유지시켜 주는 것이다.

이러한 탄성체(80)의 가압력에 의해 상기 단위 열전소자(20)와 단위 가열조(30)의 접촉면은 항상 긴밀하게 밀착된 상태를 유지하게 되는 것이고, 본 실시예에서는 이같은 탄성체(80)로 판스프링을 사용하였으며, 그밖에 다양한 구성으로 제공될 수 있음은 물론이다.

이렇게 구성되는 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 냉각조(10)와 접하는 단위 열전소자(20)의 일면에서는 흡열작용이 일어나고, 복수개의 단위 방열조(30)와 접하는 단위 열전소자(20)의 반대측면에서는발열작용이 일어나도록 상기 각각의 단위 열전소자(20)에 전류를 인가하는 것이다.

이에 따라, 상기 단위 열전소자(20)의 일면에서 발생되는 흡열작용에 의해 그와 밀착된 상기 냉각조(10)는 열을 빼앗기게 되고, 그 내측에 수용되어 있는 냉각수 역시 온도가 저하되면서 냉각되는 것이다.

이와 동시에 상기 단위 열전소자(20)의 발열면은 열을 방출하게 되며, 이같이 방출되는 열이 단위 방열조(30) 및 그 내측의 방열수로 전달되는 것이다. 이로 인해, 상기 열전소자(20)의 발열면에서 방출된 열을 흡수하여 온도가 상승되어진 방열수는 방열수 순환관(60)으로 유입되어 외부로 순환되는 것이며, 이같은 방열수는 그 순환 과정에서 방열수 순환관(60)의 관로 상에 설치되는 핀 타입의 방열기(61)로 유입되어 흡수한 열을 효과적으로 외부로 방출하게 되는 것이다. 그리고, 이렇게 온도가 저하된 방열수는 다시 단위 방열조(30)로 유입되는 것이다.

다시 말해, 상기한 과정에 의해 상기 열전소자(20)의 발열면에서 방출되는 열은 수냉식으로 방열되는 것이며, 이같은 수냉식 방열구조는 공냉식의 방열구조에 비해 그 방열효율이 우수한 것이므로 열전소자(20)의 발열면 온도를 한층 저하시킬 수 있는 것이다. 이때, 방열효율이 개선되는 주된 이유는 방열수를 방열시키는 핀 타입 방열기(61)의 체적대비 표면적이 크다는 점 때문이며, 또한 열전소자(20)의 발열면에서의 열을 방열기로 이동시키는 수단으로 비열이 가장 큰 물질인 물을 사용하였다는 점이다.

참고적으로, 열전소자(30)의 발열면에 부착되는 방열기의 온도를 기존의 공냉 방식에 의하면 대기온도 +20℃ 이하로 저하시키기 어려운 것이었지만, 본 발명의 수냉식 방열구조를 적용하여 실험해본 결과 방열기의 온도를 대기온도 +10℃, 즉 공낵식에 비해 10도 정도를 더 저하시킬 수 있었다.

이같은 본 발명에 의해, 열전소자의 냉각효율은 발열면과 냉각면의 온도 차이가 20도 이하일 때 가장 효율이 좋다는 조건을 만족시키면서 열전소자 냉각면의 온도를 대기온도 -10℃까지 냉각시킬 수 있게되는 것이다.

이렇게 열전소자(20) 냉각면의 온도가 크게 저하됨에 따라 그와 접촉되는 냉각조(10)의 냉각수 역시 그 냉각도가 심화되는 것이며, 이같은 냉각수가 냉각수 배출관(11)을 통해 냉각수 순환관(13)으로 유입되어 냉각작용을 한 다음 냉각수 유입관(12)을 통해 냉각조(10)로 다시 유입되는 것이다.

또한, 전술한 복수개의 단위 방열조(30)는 탄성체(80, 본 실시예에서는 판스프링)의 가압력에 의해 그와 접하는 단위 열전소자(20)의 표면에 각각 밀착된 상태를 유지하게 되는 것이므로, 단위 열전소자(20)의 발열면에서 방출되는 열을 효과적으로 흡수할 수 있는 것이다.

그리고, 전술한 냉각수 순환관(13)과 방열수 순환관(60)에는 펌프(90,90a)가 각각 설치되어, 냉각조(10) 및 단위 방열조(30)에 수용된 냉각수 및 방열수가 상기 냉각수 순환관(13) 및 방열수 순환관(60)을 따라 순환되도록 하는 것이다.

상기한 일 실시예에 의하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명을 따른 열전소자를 이용한 냉각장치의 수냉식 방열구조에 의하여, 열전소자의 냉각면 온도가 크게 저하됨에 따라 냉각장치의 냉각성능이 극대화되는 효과를 가져오는 것이다.

Claims (3)

1. 단일몸체의 냉각조와;

   상기 냉각조에 그 일면을 밀착한 채, 상호 인접하게 설치되는 복수개의 단위 열전소자와;

   상기 단위 열전소자의 갯수와 동일하게 제공되어 단위 열전소자의 타면과 접하며, 그 내부공간이 상호 연통된체 그 열결부위가 가스켓으로 수밀되는 복수개의 단위 방열조와;

   상기 각 단위 방열조의 방열수가 외부로 순환되도록 하며, 그 관로 상에 핀 타입의 방열기가 제공되는 방열수 순환관;

   을 구비하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 냉각장치의 수냉식 방열구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 단위 열전소자 및 그 양측에 위치하는 냉각조와 단위 방열조를 견고하게 체결 지지하도록 한 쌍의 지지판재가 제공되며, 일측의 지지판재와 상기 단위 방열조 사이에 탄성체가 설치되어 상기 단위 열전소자와 단위 방열조 간의 접촉면이 항상 소정의 압력으로 긴밀하게 밀착되도록 하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 냉각장치의 수냉식 방열구조.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 탄성체는,

   판스프링인 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 냉각장치의 수냉식 방열구조.