KR100473884B1 - 펠티어소자를 이용한 프리저시스템 - Google Patents

펠티어소자를 이용한 프리저시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펠티어소자를 이용한 프리저시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 펠티어소자의 흡열부와 연결되는 냉매라인상에 냉매회수용 리시버탱크를 설치하고, 이 리시버탱크를 방열실측으로 연장된 냉매라인과 연결하며, 이 냉매라인을 방열실 내부에 설치된 방열라인의 방열열교환기와 연결 설치하므로서, 시스템의 정상가동시에는 방열실의 내부온도를 적정수준으로 낮추어 펠티어소자에 의한 냉각효율을 향상시키고, 각종 원인에 의하여 펠티어소자의 작동이 정지될 경우에는 방열실의 내부열이 냉장실로 유입되는 것을 차단하면서 빠른 시간내에 방열실의 온도를 낮추어 줄 수 있도록 하며, 이로 인하여 시스템의 재가동시 발생하는 부하를 방지하여 장치의 안전한 운전을 보장할 수 있도록 함과 동시에, 냉장실용 펠티어소자의 흡열부에서 냉각된 냉매를 냉동실용 펠티어소자의 발열부 냉각원으로 사용하고, 냉장실과 냉동실의 각 냉매라인상에는 축냉재가 저장된 축냉케이스를 착탈가능하게 설치하므로서, 소형 냉장장치에 한하여 적용되었던 펠티어소자를 냉동장치 뿐만 아니라 빙축열시스템을 이용한 스팟쿨러와 같은 각종 공기조화장치에 용이하게 적용시킬 수 있도록 하고, 펠티어소자의 냉각능력 또한 압축기와 증발기를 사용한 일반적인 냉장 및 냉동장치와 거의 동등한 수준으로 향상시킬 수 있도록 한 펠티어소자를 이용한 프리저시스템에 관한 것이다.

Description

펠티어소자를 이용한 프리저시스템{Freezer system using peltier element}
본 발명은 펠티어소자를 이용한 프리저시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 펠티어소자의 흡열부와 연결되는 냉매라인상에 냉매회수용 리시버탱크를 설치하고, 이 리시버탱크를 방열실측으로 연장된 냉매라인과 연결하며, 이 냉매라인을 방열실 내부에 설치된 방열라인의 방열열교환기와 연결 설치하므로서, 시스템의 정상가동시에는 방열실의 내부온도를 적정수준으로 낮추어 펠티어소자에 의한 냉각효율을 향상시키고, 각종 원인에 의하여 펠티어소자의 작동이 정지될 경우에는 방열실의 내부열이 냉장실로 유입되는 것을 차단하면서 빠른 시간내에 방열실의 온도를 낮추어 줄 수 있도록 하며, 이로 인하여 시스템의 재가동시 발생하는 부하를 방지하여 장치의 안전한 운전을 보장할 수 있도록 함과 동시에, 냉장실용 펠티어소자의 흡열부에서 냉각된 냉매를 냉동실용 펠티어소자의 발열부 냉각원으로 사용하고, 냉장실과 냉동실의 각 냉매라인상에는 축냉재가 저장된 축냉케이스를 착탈가능하게 설치하므로서, 소형 냉장장치에 한하여 적용되었던 펠티어소자를 냉동장치 뿐만 아니라 빙축열시스템을 이용한 스팟쿨러와 같은 각종 공기조화장치에 용이하게 적용시킬 수 있도록 하고, 펠티어소자의 냉각능력 또한 압축기와 증발기를 사용한 일반적인 냉장 및 냉동장치와 거의 동등한 수준으로 향상시킬 수 있도록 한 펠티어소자를 이용한 프리저시스템에 관한 것이다.
일반적으로 펠티어(Peltier) 효과라고 하는 것은 전자공학분야나 재료공학분야에서 다루어지는 접합에 따른 전기적 성질의 하나에 해당하는 것으로서, 서로 다른 두 가지 물질들간의 접합을 거쳐 전류가 유동할 때 발생하는 열의 방출과 흡수로 이루어지며, 전류가 어떤 한 방향으로 유동할 때 열이 발생된다면 전류가 그와 반대방향으로 유동할 경우 열을 흡수한다는 의미에서 이러한 펠티어 효과는 가역적이라 할 수 있다.
상기와 같은 펠티어 효과를 적용시킨 가장 대표적인 예로는 N형 반도체소자와 P형 반도체소자를 금속판에 의하여 연결시킨 펠티어소자로서, 이와 같은 펠티어소자에 전원을 공급하게 되면, 제 1 접촉금속판을 통하여 N형 반도체소자로 전류가 전달된 다음 연결금속판과 P형 반도체소자를 통하여 제 2 접촉금속판으로 전류가 흐르게 되므로서, 제 1 및 제 2 접촉금속판에서는 발열현상이 발생하고 연결금속판에서는 흡열현상이 발생하게 된다.
따라서, 상기한 펠티어소자를 그 흡열부가 냉장실로 노출되고 그 발열부가 방열실과 같은 냉장실의 외부공간으로 노출되도록 냉장장치에 설치하게 되면, 펠티어소자를 통한 전류의 유동에 의하여 냉장실의 내부열이 펠티어소자의 흡열부로 흡수되어 냉장실의 온도가 낮아지게 되므로서 각종 냉장용 물품을 용이하게 보관할 수 있게 되는 데, 펠티어소자가 소용량 무소음일 뿐만 아니라 폐기처분시 공해물질이 전혀 발생하지 않는 장점으로 인하여 화장품이나 의약품과 같이 그 냉장온도를 매우 낮은 수준까지 낮출 필요가 없고 실내의 좁은 공간에도 용이하게 설치가 가능한 소형 냉장장치나, 전력공급원으로 배터리를 사용한 휴대용 냉장고와 같은 산업분야에 펠티어소자가 활발하게 적용되고 있다.
그러나, 상기와 같은 펠티어소자는 그 흡열부의 냉각성능이 발열부의 온도에 따라 좌우되기 때문에 발열부측의 온도를 적정수준으로 낮추어 주지 못할 경우에는 펠티어소자에 의한 냉각효율이 떨어지게 되는 데, 펠티어소자의 발열부 온도를 낮추기 위하여 기존에는 오일식 냉각장치 또는 공냉식 냉각장치가 적용되어져 왔으나, 이러한 냉각장치는 그 방열면적이나 방열효과가 그다지 크지 못하여 펠티어소자의 방열부측 온도를 빠른 시간내에 적정수준으로 낮추기 어려운 문제점이 있었고, 오일식 냉각장치의 경우에는 그 장치 자체가 고가일 뿐만 아니라 오일의 누설과 교환에 따른 추가적인 문제점이 발생하였다.
상기와 같이 기존의 오일식, 공냉식 냉각장치로는 펠티어소자의 발열부측 온도를 빠른 시간내에 적정수준으로 유지시키기가 어렵기 때문에, 각종 원인에 의하여 펠티어소자의 작동이 정지될 경우에는 펠티어소자의 발열부측 열기가 냉장실측으로 쉽게 유입되어 냉장실의 내부온도를 상승시키게 되므로서 냉장실에 저장된 냉장물품의 손상을 초래하게 될 뿐만 아니라, 펠티어소자의 재작동시 흡열부와 접촉하는 냉장실의 상승된 온도와 발열부 자체의 온도에 의하여 펠티어소자에 상당한 부하가 걸리게 되므로서 펠티어소자의 고장이 빈번하게 발생하는 문제점이 있었다.
상기와 같이 기존의 냉각장치로는 펠티어소자의 발열부 온도를 적정수준으로 낮추어 주기가 어려울 뿐만 아니라 펠티어소자의 작동이 정지될 경우 발생하는 장치의 고장 등으로 인하여 펠티어소자를 적용시킬 수 있는 범위가 화장품이나 의약품 저장에 사용되는 소형 냉장장치 또는 휴대용 냉장고와 같은 분야에 한정되는 문제점이 있었으며, 이로 인하여 펠티어소자가 가지는 각종 장점을 다소 높은 냉각성능이 요구되는 냉동장치나 공기조화장치에 제대로 적용시키지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 펠티어소자를 이용한 프리저시스템은 펠티어소자의 흡열부와 연결되는 냉매라인상에 냉매회수용 리시버탱크를 설치하고, 이 리시버탱크를 방열실측으로 연장된 냉매라인과 연결하며, 이 냉매라인을 방열실 내부에 설치된 방열라인의 방열열교환기와 연결 설치하므로서, 시스템의 정상가동시에는 방열실의 내부온도를 적정수준으로 낮추어 펠티어소자에 의한 냉각효율을 향상시키고, 각종 원인에 의하여 펠티어소자의 작동이 정지될 경우에는 방열실의 내부열이 냉장실로 유입되는 것을 차단하면서 빠른 시간내에 방열실의 온도를 낮추어 줄 수 있도록 하며, 이로 인하여 시스템의 재가동시 발생하는 부하를 방지하여 장치의 안전한 운전을 보장할 수 있도록 하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 냉장실용 펠티어소자의 흡열부에서 냉각된 냉매를 냉동실용 펠티어소자의 발열부 냉각원으로 사용하고, 냉장실과 냉동실의 각 냉매라인상에는 축냉재가 저장된 축냉케이스를 착탈가능하게 설치하므로서, 소형 냉장장치에 한하여 적용되었던 펠티어소자를 냉동장치 뿐만 아니라 빙축열시스템을 이용한 스팟쿨러와 같은 각종 공기조화장치에 용이하게 적용시킬 수 있도록 하고, 펠티어소자의 냉각능력 또한 압축기와 증발기를 사용한 일반적인 냉장 및 냉동장치와 거의 동등한 수준으로 향상시킬 수 있도록 하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.
이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 펠티어소자를 이용한 프리저시스템의 일실시예를 나타내는 장치도로서, 도면에 대한 부호의 설명중 미설명된 부호 21a는 흡열핀, 22a는 방열핀을 나타내는 것이다.
본 발명의 일실시예는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 냉장실(2)과 방열실(3)이 단열벽(1)에 의하여 구획되고, 상기 방열실(3)의 내부에는 흡열부(21)와 발열부(22)측에 흡열핀(21a)과 방열핀(22a)이 돌출 형성된 펠티어소자(20)가 설치되며, 상기 펠티어소자(20)의 흡열부(21)에는 냉장실(2)의 내부로 연장되는 냉매라인(5)이 흡열핀(21a)과 접촉되도록 연결 설치되고, 상기 펠티어소자(20)의 발열부(22)에는 방열펌프(11)와 방열열교환기(12)를 구비한 상태로 방열실(3)의 내부에 설치되는 방열라인(13)이 발열핀(22a)과 접촉되도록 연결 설치되어 있다.
그리고, 상기 냉장실(2)의 내부로 연장된 냉매라인(5)에는 일정량의 냉매를 회수하여 저장할 수 있는 냉매회수용 리시버탱크(4)가 설치되고, 상기 냉매라인(5)을 통하여 냉매를 순환시키기 위한 냉매펌프(6)와 순환밸브(7)는 방열실(3)의 내부로 연장되는 냉매라인(5)상에 설치되며, 상기 리시버탱크(4)는 배출밸브(9)를 구비하는 배출라인(8)에 의하여 방열실(3)의 냉매라인(5)과 연결 설치되고, 상기 방열실(3)의 냉매라인(5)은 바이패스밸브(15)를 구비하는 바이패스라인(14)에 의하여 방열라인(13)의 방열열교환기(12)와 연결 설치되어 있다.
상기 순환밸브(7)는 펠티어소자(20)의 정상적인 작동(On)시 개방되고, 각종 원인에 의한 펠티어소자(20)의 정지(Off)에는 폐쇄되도록 펠티어소자(20)와 접속되며, 상기 배출밸브(9)와 바이패스밸브(15)는 펠티어소자(20)의 정상적인 작동(On)시 폐쇄되고, 각종 원인에 의한 펠티어소자(20)의 정지(Off)시 개방되도록 펠티어소자(20)와 접속되며, 냉매라인(5)의 냉매펌프(6)와 방열라인(13)의 방열펌프(11)는 펠티어소자(20)와는 다른 전원에 접속되어 항시 가동되도록 되어 있다.
도 1에 도시된 것은 냉매라인(5)과 방열라인(13)상에 설치되는 각종 장치의 연결상태를 보다 확실하게 나타내기 위하여 각각의 라인(5)(13)과 그 장치를 전개식으로 도시한 것으로서, 실질적으로는 냉매라인(5)과 리시버탱크(4)를 냉장실(2)의 단열벽(1)상에 밀착 설치하여 냉장실(2) 내부의 저장공간을 최대화시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하고, 방열실(3)의 내부에 설치되는 방열라인(13)과 냉매라인(5)은 열교환 효율을 높이기 위하여 각각의 라인(5)(13)을 서로 접촉시켜 설치하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 방열열교환기(12)는 핀튜브(Pin-tube)형과 같이 열교환성능이 우수한 것을 사용하는 것이 바람직지만, 방열열교환기(12)의 내부에 바이패스라인(14)을 보다 용이하게 설치하기 위해서는 탱크 형태의 몸체 외부에 방열핀이 돌출된 형태로 방열열교환기(12)를 설치하고, 그 내부에 튜브 형태의 바이패스라인(14)을 설치하는 것과 같이 방열열교환기(12) 자체의 방열성능 뿐만 아니라 방열열교환기(12)와 바이패스라인(14) 사이의 열교환작용을 함께 고려하여 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉매라인(5)을 유동하는 냉매와 상기 방열라인(13)을 유동하는 방열유체는 압축기와 증발기를 이용하는 일반적인 냉장 및 냉동장치에 사용되는 냉매라면 어느 것을 사용하여도 무방하나, 각 냉매가 가지는 물적특성 및 그 냉매가 냉매라인(5) 및 방열라인(13)의 재질에 미치는 영향 등을 고려하여 최적의 것을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 일실시예에 따른 프리저시스템은, 펠티어소자(20)의 정상가동(On)시 순환밸브(7)만이 개방된 상태에서 냉매펌프(6)에 의한 냉매라인(5)의 작동과 방열펌프(11)에 의한 방열라인(13)의 작동이 이루어지게 되는 데, 먼저 냉매라인(5)의 경우에는 펠티어소자(20)의 흡열부(21)에서 냉각된 냉매가 냉매라인(5)을 통하여 냉장실(2)로 유입되므로서 냉장실(2)의 내부온도를 낮추어 주고 리시버탱크(4)에 저장되며, 이와 같이 리시버탱크(4)에 저장된 냉매가 냉매펌프(6)와 순환밸브(7)에 의하여 방열실(3)측 냉매라인(5)을 따라 펠티어소자(20)의 흡열부(21)측으로 순환되므로서 냉매의 재냉각이 이루어지게 되고, 방열라인(13)의 경우에는 펠티어소자(20)의 발열부(22)에서 가열된 방열유체가 방열펌프(11)와 방열열교환기(12)를 거치면서 방열실(3)의 내부로 열을 방출하고 다시 펠티어소자(20)의 발열부(22)측으로 순환되므로서 방열유체의 재가열이 이루어지게 된다.
상기와 같은 시스템의 정상적인 작동과정에서 펠티어소자(20)의 발열부(22)온도는 방열라인(13)과 방열열교환기(12)를 순환하는 방열유체의 방열량에 따라 좌우되는 데, 방열유체의 방열이 방열라인(13)과 방열열교환기(12)의 모든 표면적에서 동시에 이루어지기 때문에 그 방열면적과 방열효과가 매우 크게 될 뿐만 아니라, 방열유체의 방열에 의하여 상승된 방열실(3)의 내부 온도는 냉매라인(5)을 따라 유동하는 냉매에 의하여 그 대부분이 냉각 처리되므로서, 방열라인(13)과 방열열교환기(12)로부터의 방열량을 매우 높은 수준으로 유지시킬 수 있게 된다.
또한, 펠티어소자(20) 자체가 방열실(3)의 내부에 설치되어 있기 때문에 펠티어소자(20)의 흡열부(21)에서 이루어지는 대부분의 흡열작용이 냉매의 냉각에 사용된다 하더라도 그 일부는 상승된 방열실(3)의 내부온도를 낮추어 주는 데 사용되므로서 상기한 냉매라인(5)의 냉각작용과 함께 방열실(3) 내부온도를 낮추는 데 한층 더 기여할 수 있게 되며, 이로 인하여 펠티어소자(20)의 발열부(22) 온도를 적정 수준으로 낮추어 주게 되므로서 펠티어소자(20)에 의한 냉매의 냉각효율 뿐만 아니라 펠티어소자(20)가 설치된 냉장장치(10)의 냉장성능을 보다 더 향상 시킬 수 있게 되는 것이다.
그리고, 각종 원인에 의하여 펠티어소자(20)의 작동이 정지될 경우에는 배출밸브(9)와 바이패스밸브(15)만 개방되어 냉매펌프(6)에 의한 바이패스라인(14)의 작동과 방열펌프(11)에 의한 방열라인(13)의 작동이 이루어지게 되는 데, 바이패스라인(14)의 경우에는 냉매펌프(6)에 의하여 냉장실(2)의 냉매라인(5)상에 잔존하는 냉매가 리시버탱크(4)로 회수됨과 동시에 리시버탱크(4)에 저장된 냉매는 배출라인(9)과 바이패스라인(15)을 통하여 방열라인(13)의 방열열교환기(12)로 순환되며, 방열라인(13)의 경우에는 펠티어소자(20)의 정상적인 작동시와 마찬가지로 방열유체를 순환시키게 된다.
상기와 같이 바이패스라인(14)과 방열라인(13)이 작동하게 되면, 냉장실(2)측의 냉매라인(5)상에 잔존하는 냉매가 모두 리시버탱크(4)로 회수되므로서 방열실(3)의 내부열이 냉매를 통하여 냉장실(2)로 유입되는 것을 차단시킴과 동시에 리시버탱크(4)에 저장된 냉매가 일정시간동안 냉장실(2)의 냉각원으로 사용되므로서 냉장실(2)의 내부온도가 급격히 저하되는 것을 방지하게 되며, 이로 인하여 펠티어소자(20)의 정지시에도 냉장실(2)에 저장된 냉장물품을 일정시간 동안 안전하게 보관할 수 있게 된다.
또한, 리시버탱크(4)에 저장된 냉매의 일부분이 바이패스라인(14)을 통하여 방열열교환기(12)로 유동하는 과정에서 바이패스라인(14)의 표면적을 통한 방열실(3)의 냉각작용이 이루어지게 됨과 동시에 방열열교환기(12)로 유입된 냉매에 의하여 방열유체의 냉각이 이루어지게 되며, 이와 같이 냉각된 방열유체가 펠티어소자(20)의 발열부(22)측 온도를 빠른 시간안에 낮추어 주게 되므로서, 펠티어소자(20)의 재가동시 펠티어소자(20)에 걸리는 부하를 최소화시켜 장치의 고장을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 매우 빠른 시간안에 냉장장치(10)의 정상적인 운전이 가능하게 되는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 펠티어소자를 이용한 프리저시스템의 다른 실시예를 나타내는 장치도로서, 도면에 대한 부호의 설명 중 미설명된 부호 3a는 방열구, 3b는 유입구를 나타내는 것이다.
먼저, 본 발명의 다른 실시예에 의한 프리저시스템의 전체적인 구성은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 방열실(3)과 냉장실(2) 및 냉동실(31)이 단열벽(1)에 의하여 별도의 공간으로 구획되어 있으며, 상기 방열실(3)의 내부에는 방열펌프(11)와 방열열교환기(12)를 구비하는 방열라인(13)이 설치되고, 상기 냉장실(2)의 내부에는 냉매펌프(6)와 냉장열교환기(17)를 구비하는 냉매라인(5)이 설치되며, 상기 냉동실(31)의 내부에는 냉동열교환기(32)를 구비하는 냉매라인(33)이 설치되어 있다.
그리고, 상기 방열실(3)과 냉장실(2)의 사이에는 그 발열부(22)가 방열실(3)로 노출되고 그 흡열부(21)가 냉장실(2)로 노출되는 펠티어소자(20)가 단열벽(1)상에 설치되고, 상기 냉장실(2)과 냉동실(31)의 사이에는 그 발열부(22)가 냉장실(2)로 노출되고 그 흡열부(21)가 냉동실(31)로 노출되는 펠티어소자(20)가 단열벽(1)상에 설치되며, 각 펠티어소자(20)가 설치되는 단열벽(1) 부분은 공기의 유입을 차단시킬 수 있을 정도로 견고하게 밀폐처리된다.
그리고, 방열실(3)과 냉장실(2) 사이에 설치된 펠티어소자(20)의 발열부(22)에는 방열실(3)의 방열라인(13)이 연결 설치되고, 냉장실(2)과 냉동실(31) 사이에 설치된 펠티어소자(20)의 흡열부(21)에는 냉동실(31)의 냉매라인(33)이 연결 설치되며, 냉장실(2)의 냉매라인(5)은 방열실(3)측 펠티어소자(20)의 흡열부(21)와 냉동실(31)측 펠티어소자(20)의 발열부(22)에 각각 연결 설치되므로서, 방열실(3)측 펠티어소자(20)의 흡열부(21)에서 냉각된 냉매를 냉동실(31)측 펠티어소자(20)의 발열부(22) 냉각원으로 사용할 수 있도록 되어 있다.
따라서, 냉동실(31)측 펠티어소자(20)의 발열부(22) 냉각을 이루어 내면서도 냉장실(2)의 냉각기능을 원할하게 수행할 수 있도록 방열실(3)측 펠티어소자(20)는 냉동실(31)측 펠티어소자(20)보다 다소 큰 용량의 것을 사용하는 것이 바람직하고, 각 펠티어소자(20)의 용량이 동일한 경우에는 방열실(3)측 펠티어소자(20)의 개수를 냉동실(31)측 펠티어소자(20)의 개수보다 1 ~ 2개 정도 많게 하는 것이 바람직하며, 방열실(3)측 펠티어소자(20)의 발열부(22) 온도를 보다 효과적으로 낮추기 위하여 상기 방열열교환기(12)측에는 방열팬(16)이 설치되고, 방열실(3)의 외부측 단열벽(1)에는 내부열의 배출을 위한 방열구(3a)와 외기의 유입을 위한 유입구(3b)가 각각 형성되어 있다.그리고, 본 발명의 다른 실시예에 의한 요부 구성요소로서, 상기 냉장실(2)과 냉동실(31)의 각 냉매라인(5)(33)에는 축냉재로서 브라인(Brine)이 저장된 축냉케이스(41)가 착탈가능하게 설치되고, 상기 방열실(3)의 방열라인(13)에는 축열재로서 브라인이 저장된 축열케이스(42)가 착탈 가능하게 설치되며, 상기 냉장실(2)의 단열벽(1)에는 송풍팬(18)에 의하여 외부로 냉기를 배출시키는 냉풍구(2a)와, 상기 냉동실(31)과 연통되는 냉기유입구(31a)가 각각 관통 형성되어 있다.
본 발명의 다른 실시예를 나타내는 도 2 또한 도 1과 마찬가지로 냉매라인(5)(33)과 방열라인(13)상에 설치되는 각종 장치의 연결상태를 보다 확실하게 나타내기 위하여 각각의 라인(5)(33)(13)과 그 장치를 전개식으로 도시한 것으로서, 실질적으로는 각 냉매라인(5)(33)과 냉장 및 냉동열교환기(17)(32)는 냉장실(2)과 냉동실(31)의 단열벽(1)상에 밀착 설치하여 냉장실(2)과 냉동실(31) 내부의 저장공간을 최대화시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 상기 냉장열교환기(17)와 냉동열교환기(32) 또한 핀튜브(Pin-tube)형과 같이 열교환성능이 우수한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리저시스템의 각 펠티어소자(20)를 방열펌프(11) 및 냉매펌프(6)와 함께 작동시키게 되면, 방열실(3) 내부의 방열라인(13)과 냉장실(2) 및 냉동실(31) 내부의 각 냉매라인(5)(33)이 동시에 작동하게 된다.
먼저, 상기 방열라인(13)의 경우에는 펠티어소자(20)의 발열부(22)에서 가열된 방열유체가 방열펌프(11)와 방열열교환기(12)를 거치면서 방열실(3)의 내부로 열을 방출하고 다시 펠티어소자(20)의 발열부(22)측으로 순환되어 재가열되며, 이 과정에서 방열실(3)의 내부로 방출된 열은 방열팬(16)과 방열구(3a)에 의하여 방열실(3)의 외부로 배출됨과 동시에 유입구(3b)를 통하여 낮은 온도의 외부공기가 방열실(3)의 내부로 유입된다.
또한, 상기 냉장실(2)의 냉매라인(5)은 방열실(3)측 펠티어소자(20)의 흡열부(21)에서 냉각된 냉매가 냉매라인(5)을 따라 유동하면서 냉동실(31)측 펠티어소자(20)의 발열부(22)를 일차적으로 냉각시킨 다음 냉장열교환기(17)로 순환되어 냉장실(2)의 내부온도를 낮추어 주게 되며, 이와 같이 냉각에 사용된 냉매가 냉매펌프(6)를 통하여 방열실(3)측 펠티어소자(20)의 흡열부(21)측으로 다시 순환되므로서 냉매에 대한 재냉각이 이루어지게 된다.
또한, 상기 냉동실(31)의 냉매라인(33)은 냉동실(31)측 펠티어소자(20)의 흡열부(21)와 접촉하는 냉매라인(33)으로부터 냉동열교환기(32)에 저장된 냉매로 전열작용이 이루어져 냉동열교환기(32)의 내부에 저장된 냉매가 일차적으로 냉각되며, 이와 같이 냉각된 냉동열교환기(32) 내부의 냉매가 냉동실(31) 내부공기와 열교환 작용을 하므로서 냉동실(31)의 내부 온도를 낮추어 주게 된다.
상기와 같은 시스템의 작동과정에서 각 펠티어소자(20)의 발열부(22) 온도는 방열라인(13)과 방열열교환기(12)를 순환하는 유체의 방열량에 따라 좌우되는 데, 유체의 방열이 방열라인(13)과 방열열교환기(12)의 모든 표면적에서 동시에 이루어지기 때문에 그 방열면적과 방열효과가 매우 크게 될 뿐만 아니라, 유체의 방열에 의하여 상승된 방열실(3)의 내부 온도는 방열팬(16)과 방열구(3a)에 의하여 그 대부분이 방열실(3)의 외부로 배출됨과 동시에 유입구(3b)를 통해서는 낮은 온도의 외부공기가 방열실(3)의 내부로 유입되므로서, 방열라인(13)과 방열열교환기(12)로부터의 방열량을 매우 높은 수준으로 유지시킬 수 있게 된다.
상기와 같이 방열라인(13)과 방열열교환기로(12)부터의 방열량을 매우 높은 수준으로 유지시킬 수 있기 때문에, 방열실(3)측 펠티어소자(20)의 발열부(22) 온도를 적정수준으로 낮추어 방열실(3)측 펠티어소자(20)의 흡열부(21) 냉각성능을 향상시킬 수 있게 되며, 이로 인하여 방열실(3)측 펠티어소자(20)의 흡열부(21)에서 냉각된 냉매를 내동실(31)측 펠티어소자(20)의 발열부(22) 냉각원으로 1차 사용하더라도 냉장실(2)에 필요한 냉기를 충분하게 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 냉동실(31)측 펠티어소자(20)의 발열부(22) 온도를 냉동에 적합한 수준까지 낮추어주게 되므로서 소형 냉장장치에 한하여 적용되었던 펠티어소자(20)를 냉동장치(30)에도 용이하게 적용시킬 수 있게 되는 것이다.
그리고, 각종 원인에 의하여 펠티어소자(20)의 작동이 정지될 경우, 방열실(3)의 내부에서는 방열펌프(11)와 방열열교환기(12) 및 방열팬(16)에 의하여 펠티어소자(20)의 발열부(22) 온도에 대한 방열작용이 지속적으로 이루어지게 되고, 냉장실(2)의 내부에서는 냉매펌프(6)와 냉장열교환기(17)에 의하여 냉동실(31)측 펠티어소자(20)의 발열부(22) 및 냉장실(2) 자체에 대한 냉각작용이 지속적으로 이루어지게 된다.
따라서, 펠티어소자(20)의 정시시에도 냉장실(2)이나 냉동실(31)의 내부온도가 급격히 저하되는 것을 방지하여 냉장실(2)이나 냉동실(31)에 저장된 물품을 일정시간 동안 안전하게 보관할 수 있게 될 뿐만 아니라, 각 펠티어소자(20)의 발열부(22)측 온도를 빠른 시간안에 낮추어 펠티어소자(20)의 재가동시 펠티어소자(20)에 걸리는 부하를 최소화시키므로서 장치의 고장을 방지하고 빠른 시간안에 냉동장치(30)의 정상적인 운전이 가능하게 되는 것이다.
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또한, 본 발명의 다른 실시예에 의한 프리저시스템은 상기에서 설명되어진 냉동장치(30)의 기능과 함께, 야간의 값싼 전력을 이용하여 펠티어소자(20)를 작동시키므로서 축냉케이스(41)의 내부에 저장된 축냉재를 야간에 동결시키고, 이와 같이 동결된 축냉재가 저장된 축냉케이스(41)를 냉장실(2) 및 냉동실(31)로부터 꺼내어 스팟쿨러(Spot-cooler)와 같은 장치에 삽입시키므로서 주간의 냉방에 사용하거나, 상기 축냉케이스(41)를 냉장실(2)과 냉동실(31)에 저장시킨 상태에서 냉장실(2)에 설치된 송풍팬(18)을 작동시키므로서 내장실(2) 및 냉동실(31) 내부의 냉기를 주간에 각종 냉방장소로 직접 공급하는 기능을 수행할 수 있게 된다.
또한, 상기 방열실(3)의 방열라인(13)에 설치되는 축열케이스(42)의 주용도는 방열열교환기(12)와 방열팬(16)에 의한 방열작용과 더불어 방열라인(13)을 유동하는 방열유체의 열을 보다 효과적으로 회수하므로서 방열실(3)측 펠티어소자(20)의 발열부(22) 온도를 빙축열장치(40)에 적합하도록 낮추어 주기 위한 것으로서, 일정시간 동안 방열유체의 열을 흡수한 축열케이스(42)는 방열실(3)로부터 꺼내어 축열케이스(42)에 축열된 열을 자연 방출시킨 다음 다시 방열실(3)의 내부에 삽입시켜 재사용하게 되며, 필요에 따라서는 상기 축열케이스(42)를 난방 등과 같은 용도로도 사용할 수 있다.
도 3의 (가) 및 (나)는 본 발명에 따른 프리저시스템의 펠티어소자에 적용되는 전열촉진수단을 나타내는 단면도로서, 도면에 대한 부호의 설명중 미설명된 부호 20a는 밀폐링, 23a는 간섭핀을 나타내는 것이다.
상기 전열촉진수단(29)은 펠티어소자(20)의 흡열부(21)와 발열부(22)측에 설치되어 펠티어소자(20)에 의한 열교환 효율을 높이므로서, 펠티어소자(20)가 설치되는 본 발명에 따른 각 프리저시스템의 성능을 최대한으로 향상시키기 위한 것이며, 그 일례는 도 3의 (가)에 도시되어 있는 바와 같이, P극(24)과 N극(25)이 각 극판(26)으로 연결되어 일측 극판(26)이 흡열부(21)를 이루고 타측 극판(26)이 발열부(22)를 이루도록 펠티어소자(20)가 설치되며, 상기 펠티어소자(20)의 흡열부(21)와 발열부(22)측에는 와류형성을 위한 간섭핀(23a)이 흡열부(21)와 발열부(22)측으로 연장되는 전열판(23)이 설치된 구성으로 이루어진다.
그리고, 상기 전열촉진수단(29)의 다른 일례는 도 3의 (나)에 도시되어 있는 바와 같이, 펠티어소자(20)의 흡열부(21: 또는 발열부) 자체를 사다리꼴이나 삼각형 단면을 가지는 다수 개의 흡열핀(21a: 또는 방열핀)으로 형성시키고, 이와 같이 형성된 흡열부(21: 또는 발열부)측에 각 냉매라인(5)(33)이나 방열라인(13)을 통한 냉매 및 방열유체의 유동공간을 확보할 수 있도록 전열판(28)이 일정 간격으로 이격 설치된 구성으로 이루어진다.
상기한 전열촉진수단(29) 중 (가)에 도시된 것은, 펠티어소자(20)와 전열판(23)의 사이를 유동하는 냉매나 방열유체가 간섭핀(23a)에 의한 유동간섭을 일으켜 각 간섭핀(23a)의 사이에서 와류의 흐름을 형성시키므로서 펠티어소자(20)에 의한 열교환 효율을 보다 향상시킬 수 있도록 한 것이고, (나)에 도시된 것은 펠티어소자(20)의 흡열부(21)와 발열부(22)를 핀 형태로 하여 그 열교환 면적을 크게 하므로서 펠티어소자(20)에 의한 열교환 효율을 보다 향상시키도록 한 것이며, 이로 인하여 본 발명에 따른 프리저시스템의 전체적인 냉각성능을 압축기와 증발기를 사용한 일반적인 냉장 및 냉동장치와 거의 동등한 수준으로 향상시킬 수 있도록 한 것이다.또한, 상기에서 설명되어진 본 발명은 각 펠티어소자(20)의 흡열부(21)측에서 발생하는 온도저하를 이용한 냉장 및 냉동시스템을 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 각 실시예에 도시된 방열실(3)의 내부에 방열실(3)과 별도의 공간으로 구획되는 밀실을 형성시키고, 그 밀실의 내부로 방열라인(13) 또는 방열라인(13)으로부터 연장되는 바이패스 라인을 통과시킴으로서, 방열실(3)의 내부에 별도의 공간으로 구획되는 상기 밀실이 온장고의 역할을 겸하도록 할 수도 있는 데, 이는 펠티어소자(20)를 이용한 공기조화분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 기술적 사항이므로 이와 같은 단순한 구조변경 또한 본 발명의 기술적 범위내에 포함되는 것이라 할 수 있다.다시 말해서, 본 발명의 일실시예를 설명하는 도 1상에서 펠티어소자(20)의 발열부(22) 일측에 해당하는 방열실(3)의 내부공간에 방열실(3)과 별도의 공간으로 구획되는 밀실을 형성시킴과 동시에 펠티어소자(20)의 발열부(21)로부터 연장되는 방열라인(13)이 그 밀실의 내부를 통과하도록 하거나, 상기 방열라인(13)으로부터 바이패스 라인을 연장하여 그 바이패스 라인이 상기 밀실을 통과하도록 하면, 펠티어소자(20)의 발열부(22)측에서 발생한 온열이 밀실의 내부에서 1차적으로 방열되어 밀실의 내부온도를 상승시킴으로서 상기 밀실이 온장고의 역할을 수행하게 됨과 동시에 나머지 온열은 상기 방열열교환기(12)를 거쳐 최종적으로 방열되도록 하며, 이로 인하여 도 1상에 도시된 냉장시스템을 냉장 및 온장겸용 시스템으로 사용할 수 있게 되는 것이다.또한, 도 2에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서도 마찬가지로, 방열열교환기(12)와 방열펌프(11)의 사이에 해당하는 방열실(3)의 내부 일측에 방열라인(13)이 통과하게 되는 별도의 밀실을 형성시키게 되면, 펠티어소자(20)의 발열부(22)측으로부터 방열펌프(11)를 거쳐 밀실의 내부로 공급되는 온열이 밀실의 내부에서 1차적으로 방열되어 밀실의 온도를 상승시킴으로서 상기 밀실이 온장고의 역할을 수행하게 됨과 동시에 나머지 온열은 방열열교환기(12)측에서 최종적으로 방열되도록 하며, 이로 인하여 도 2상에 도시된 냉장 및 냉동시스템 또한 냉장과 냉동 및 온장겸용 시스템으로 사용할 수 있게 되는 것이다.상기와 같이 방열실(3)의 내부공간에 온장고의 역할을 하는 별도의 밀실을 형성시키게 되면, 냉장실(2)과 냉동실(31)의 내부공간에는 화장품이나 각종 와인과 같이 냉장보관이 요구되는 물품 및 냉동보관이 요구되는 물품을 분리하여 저장할 수 있게 됨과 동시에 온장고의 역할을 하는 상기 밀실의 내부공간에는 한약이나 정종과 같은 물품을 따뜻하게 보관할 수 있게 됨으로서, 본 발명에 의한 시스템의 활용범위와 그 기능성을 보다 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
상기와 같이 본 발명에 따른 펠티어소자를 이용한 프리저시스템은 펠티어소자의 흡열부와 연결되는 냉매라인상에 냉매회수용 리시버탱크를 설치하고, 이 리시버탱크를 방열실측으로 연장된 냉매라인과 연결하며, 이 냉매라인을 방열실 내부에 설치된 방열라인의 방열열교환기와 연결 설치하므로서, 시스템의 정상가동시에는 방열실의 내부온도를 적정수준으로 낮추어 펠티어소자에 의한 냉각효율을 향상시키고, 각종 원인에 의하여 펠티어소자의 작동이 정지될 경우에는 방열실의 내부열이 냉장실로 유입되는 것을 차단하면서 빠른 시간내에 방열실의 온도를 낮추어 줄 수 있는 효과가 있으며, 이로 인하여 시스템의 재가동시 발생하는 부하를 방지하여 장치의 안전한 운전을 보장할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 냉장실용 펠티어소자의 흡열부에서 냉각된 냉매를 냉동실용 펠티어소자의 발열부 냉각원으로 사용하고, 냉장실과 냉동실의 각 냉매라인상에는 축냉재가 저장된 축냉케이스를 착탈가능하게 설치하므로서, 소형 냉장장치에 한하여 적용되었던 펠티어소자를 냉동장치 뿐만 아니라 빙축열시스템을 이용한 스팟쿨러와 같은 각종 공기조화장치에 용이하게 적용시킬 수 있는 효과가 있으며, 펠티어소자의 냉각능력 또한 압축기와 증발기를 사용한 일반적인 냉장 및 냉동장치와 거의 동등한 수준으로 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 펠티어소자를 이용한 프리저시스템의 일실시예를 나타내는 장치도.
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도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 장치도.
도 3의 (가) 및 (나)는 본 발명에 따른 프리저시스템의 펠티어소자에 적용되는 전열촉진수단을 나타내는 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 단열벽 2 : 냉장실 3 : 방열실
4 : 리시버탱크 5 : 냉매라인 6 : 냉매펌프
7 : 순환밸브 8 : 배출라인 9 : 배출밸브
10 : 냉장장치 11 : 방열펌프 12 : 방열열교환기
13 : 방열라인 14 : 바이패스라인 15 : 바이패스밸브
16 : 방열팬 17 : 냉장열교환기 18 : 송풍팬
20 : 펠티어소자 21 : 흡열부 22 : 발열부
23,28 : 전열판 24 : P극 25 : N극
26 : 극판 29 : 전열촉진수단 30 : 냉동장치
31 : 냉동실 32 : 냉동열교환기 33 : 냉매라인
40 : 빙축열장치 41 : 축냉케이스 42 : 축열케이스

Claims (5)

  1. 냉장실(2)과 방열실(3)이 단열벽(1)에 의하여 구획되고, 상기 방열실(3)의 내부에는 흡열부(21)와 발열부(22)를 가지는 펠티어소자(20)가 설치되며, 상기 펠티어소자(20)의 흡열부(21)에는 냉장실(2)의 내부로 연장되는 냉매라인(5)이 연결 설치된 것에 있어서,
    상기 방열실(3)의 내부에는 방열펌프(11)와 방열열교환기(12)를 구비하는 방열라인(13)이 펠티어소자(20)의 발열부(22)에 연결 설치되고,
    상기 냉장실(2)의 내부에는 냉매회수용 리시버탱크(4)가 냉매라인(5)상에 설치되고, 그 냉매의 순환을 위한 냉매펌프(6)와 순환밸브(7)는 방열실(3)의 내부로 연장되는 냉매라인(5)상에 설치되며,
    상기 리시버탱크(4)는 배출밸브(9)를 구비하는 배출라인(8)에 의하여 방열실(3)의 냉매라인(5)과 연결 설치되고,
    상기 방열실(3)의 냉매라인(5)은 바이패스밸브(15)를 구비하는 바이패스라인(14)에 의하여 방열라인(13)의 방열열교환기(12)와 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 펠티어소자를 이용한 프리저시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 펠티어소자(20)의 흡열부(21)와 발열부(22)측에는 와류형성을 위한 간섭핀(23a)이 흡열부(21)와 발열부(22)측으로 연장되는 전열판(23) 또는 핀 형태로 연장되는 흡열부(21)와 발열부(22)측으로부터 냉매의 유동공간을 형성하도록 이격 설치되는 전열판(28) 중에서 택일하여서 되는 전열촉진수단(29)이 형성되는 것을 특징으로 하는 펠티어소자를 이용한 프리저시스템.
  3. (삭 제)
  4. (정 정) 냉장실(2)과 냉동실(31) 및 방열실(3)이 단열벽(1)에 의하여 구획되고, 냉장실(2)과 방열실(3)을 구획하는 단열벽(1)에는 그 흡열부(21)가 냉장실(2)로 노출되고 그 발열부(22)가 방열실(3)로 노출되는 펠티어소자(20)가 설치되고, 냉장실(2)과 냉동실(31)을 구획하는 단열벽(1)에는 그 흡열부(21)가 냉동실(31)로 노출되고 그 발열부(22)가 냉장실(2)로 노출되는 펠티어소자(20)가 설치되며, 냉장실(2)의 내부에는 냉매펌프(6)와 냉장열교환기(17)를 구비하는 냉매라인(5)이 방열실(3)측 펠티어소자(20)의 흡열부(21)와 냉동실(31)측 펠티어소자(20)의 발열부(22)에 각각 연결 설치되고, 냉동실(31)의 내부에는 냉동열교환기(32)를 구비하는 냉매라인(33)이 냉동실(31)측 펠티어소자(20)의 흡열부(21)에 연결 설치되며, 방열실(3)의 내부에는 방열펌프(11)와 방열열교환기(12)를 구비하는 방열라인(13)이 펠티어소자(20)의 발열부(22)와 연결된 상태에서 방열실(3)의 외부측 단열벽(1)에는 방열팬(16)에 의한 열배출과 외기의 유입을 위하여 방열구(3a)와 유입구(3b)가 각각 관통 형성된 것에 있어서,
    상기 냉장실(2)과 냉동실(31)의 냉매라인(5)(33)에는 축냉재가 내부에 저장된 축냉케이스(41)가 착탈가능하게 설치되고,
    상기 방열실(3)의 방열라인(13)에는 축열재가 내부에 저장된 축열케이스(42)가 착탈 가능하게 설치되며,
    상기 냉장실(2)의 단열벽(1)에는 송풍팬(18)에 의하여 외부로 냉기를 배출시키는 냉풍구(2a)와, 상기 냉동실(31)과 연통되는 냉기유입구(31a)가 각각 관통 형성되는 것을 특징으로 하는 펠티어소자를 이용한 프리저시스템.
  5. (정 정) 제 4항에 있어서, 상기 펠티어소자(20)의 흡열부(21)와 발열부(22)측에는 와류형성을 위한 간섭핀(23a)이 흡열부(21)와 발열부(22)측으로 연장되는 전열판(23) 또는 핀 형태로 연장되는 흡열부(21)와 발열부(22)측으로부터 냉매의 유동공간을 형성하도록 이격 설치되는 전열판(28) 중에서 택일하여서 되는 전열촉진수단(29)이 형성되는 것을 특징으로 하는 펠티어소자를 이용한 프리저시스템.
KR10-2002-0071877A 2002-11-19 2002-11-19 펠티어소자를 이용한 프리저시스템 KR100473884B1 (ko)

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