KR100897328B1 - Thermoelectronic element module and air conditioner for a vehicle using the same - Google Patents
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Abstract
냉,난방시 열전달을 위한 열전소자 모듈과, 이를 이용한 차량용 공기조화장치가 소개된다. 그 열전소자 모듈은 복수 개의 열전소자(10), 열전소자(10) 사이에 부착되는 유로가 형성된 열전도부(30), 열전도부 사이를 연결하여 냉,난방 유로를 형성하는 연결관으로 구성되며, 차량용 공기조화장치는 냉,난방수를 배출하는 열전소자 모듈(300)과 냉,난방수를 혼합하여 혼합수를 배출하는 혼합밸브(500) 및 혼합수와 공기의 열전달을 위한 열교환부(900)로 구성된다. 열전소자 모듈(300)은 냉방과 난방을 분리시키고, 유체를 열전달 매개체로 하여 효율이 증가되고, 이를 이용한 차량용 공기조화장치는 냉,난방 혼합수를 이용하여 온도의 제어가 세밀해지고 하나의 열교환기로 냉,난방이 가능해진다.Thermoelectric module for heat transfer during cooling and heating, and vehicle air conditioner using the same are introduced. The thermoelectric module includes a plurality of thermoelectric elements 10, a heat conduction portion 30 having a flow path attached between the thermoelectric elements 10, and a connection pipe connecting the heat conduction portions to form a cooling and heating passage, The vehicle air conditioner includes a thermoelement module 300 for discharging cooling and heating water, a mixing valve 500 for discharging mixed water by mixing cooling and heating water, and a heat exchanger 900 for heat transfer of mixed water and air. It consists of. The thermoelectric module 300 separates cooling and heating, and the efficiency is increased by using a fluid as a heat transfer medium. The vehicle air conditioner using the same has fine control of temperature by using a mixture of cooling and heating, Cooling and heating are possible.
열전소자, 공조장치, 공기조화장치 Thermoelectric element, air conditioner, air conditioner
Description
본 발명은 냉방과 난방을 위하여 복수 개의 열전소자를 이용한 열전소자 모듈, 및 그 열전소자 모듈을 이용한 차량용 공기조화장치에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric module using a plurality of thermoelectric elements for cooling and heating, and a vehicle air conditioner using the thermoelectric module.
열전소자는 P형과 N형의 반도체 소자로 구성되며, 반도체 소자를 기준으로 전기전도판이 양단에 부착되어 있다. 열전소자에 직류전기가 흐르면 양단에 저온부와 고온부가 형성되며, 이를 Peltier효과라고 한다. 즉, 열전소자는 일단의 전기전도판은 냉각판, 타단의 전기전도판은 발열판로서의 역할이 가능하다. Peltier효과를 이용하여 가습기, CPU 냉각, 냉정수기, 냉장고 등에 열전소자가 이용된다.The thermoelectric element is composed of P-type and N-type semiconductor elements, and the conductive plates are attached to both ends based on the semiconductor elements. When a direct current flows through the thermoelectric element, a low temperature part and a high temperature part are formed at both ends, which is called a peltier effect. That is, in the thermoelectric element, one end of the conductive plate may serve as a cooling plate, and the other end of the thermoelectric plate may serve as a heating plate. By using the Peltier effect, thermoelectric elements are used in humidifiers, CPU cooling, cold water purifiers and refrigerators.
기존의 열전소자는 전기전도판이 노출된 형태로써, 대류 열전달이 일어나 효율적인 열전달이 되지 못하였고, 온도제어가 어려운 문제가 있었다.Conventional thermoelectric element is a form of the electrical conductive plate is exposed, convective heat transfer is not efficient heat transfer, there was a problem that temperature control is difficult.
차량용 공기조화장치는 차량 실내 공기의 냉방과 난방이 주된 목적이며, 종래의 공기조화장치는 엔진의 폐열과 라디에이터를 이용한 난방과 컴프레서와 냉매 등을 이용한 냉방이 주로 사용되어 왔다. 그러나 점차 엔진이 아닌 전기나 기타 대체에너지를 이용한 차량이 나타나면서, 엔진의 폐열이 없이도 구동 가능한 공기조 화장치가 필요하게 되었다.A vehicle air conditioner has a main purpose of cooling and heating indoor vehicle air, and a conventional air conditioner has been mainly used for heating using a waste heat of an engine and a radiator, cooling using a compressor, a refrigerant, and the like. However, as vehicles using electricity or other alternative energy instead of engines appeared, there was a need for an air conditioner capable of driving without waste heat from the engine.
또한, 종래의 차량 냉방시에는 냉매로 사용되는 프레온 가스의 사용이 규제되고, 난방시에는 엔진의 효율이 증가됨에 따라 엔진의 폐열, 즉 열원의 부족이 발생되었으며, 하이브리드 차량이나 연료전지 차량에 대응할 수 있는 공조장치가 필요하였다. 따라서 열전소자를 이용한 차량용 공조장치가 개발되고 있으나, 종래의 열전소자는 공기를 열전달 매체로 사용하여 그 효율이 좋지 못한 문제가 있었다.In addition, in the conventional vehicle cooling, the use of the freon gas used as a refrigerant is regulated, and when the heating efficiency increases, the engine waste heat, that is, a lack of a heat source, is generated. There was a need for air conditioning. Therefore, a vehicle air conditioner using a thermoelectric element has been developed, but the conventional thermoelectric element has a problem that its efficiency is not good using the air as a heat transfer medium.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 열전소자 모듈의 효율을 높이고, 그 열전소자 모듈을 이용하여 엔진의 장착이 없어도 차량 실내의 냉,난방을 구현하고자 하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve this problem, and the purpose of the present invention is to improve the efficiency of a thermoelectric module and to implement cooling and heating in a vehicle interior without using an engine by using the thermoelectric module.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전소자 모듈은, 냉각판과 발열판이 구비되며 냉각판은 냉각판끼리 발열판은 발열판끼리 마주보도록 배치되는 복수 개의 열전소자, 상기 냉각판 사이에 부착되는 제1 열전도부 및 발열판 사이에 부착되는 제2 열전도부로 이루어지며 유로가 내부에 형성되고 유로의 끝단에는 유입구와 유출구가 형성된 열전도부, 및 일련의 냉방유로가 형성되도록 제1 열전도부의 유입구와 유출구를 연결하는 제1 연결관 및 일련의 난방유로가 형성되도록 제2 열전도부의 유입구와 유출구를 연결하는 제2 연결관으로 구성된다.The thermoelectric element module according to the present invention for achieving the above object is provided with a cooling plate and a heating plate, the cooling plate is a plurality of thermoelectric elements disposed between the cooling plate and the heating plate to face the heating plate, the second is attached between the cooling plate 1 consists of a second heat conduction portion attached between the heat conduction portion and the heating plate, the flow path is formed therein, and the end of the flow path is connected to the inlet and outlet of the first heat conduction portion so that the inlet and outlet are formed with a heat conduction portion, and a series of cooling passages are formed. It consists of a first connecting pipe and a second connecting pipe for connecting the inlet and the outlet of the second heat conducting portion to form a series of heating flow path.
상기 제1 열전도부와 제2 열전도부는 상호 수직이 되도록 배치되며, 제1 연 결관 및 제2 연결관은 냉방유로와 난방유로가 지그재그식으로 형성되도록 각 열전도부에 연결됨이 바람직하다.The first heat conducting unit and the second heat conducting unit are disposed to be perpendicular to each other, and the first connection pipe and the second connection pipe are preferably connected to each heat conducting unit such that the cooling passage and the heating passage are formed in a zigzag pattern.
차량용 공기조화장치는, 냉각수가 제공되기 위한 냉각수 제공부, 냉각판과 발열판이 마련된 열전소자가 구비되며 냉각수 제공부로부터 유입된 냉각수는 냉방유로와 난방유로로 나뉘고 각각 냉각판 및 발열판과 열전도 되어 냉방수와 난방수가 배출되는 열전소자 모듈, 냉방유로와 난방유로로부터 유입된 냉방수와 난방수를 필요한 온도에 따라 선택적으로 섞어 혼합수를 배출하는 혼합밸브, 혼합밸브에서 배출된 혼합수에 유속을 더하는 펌프, 및 바람을 불어주는 송풍기가 구비되며 송풍된 바람과 펌프에서 유출된 혼합수간 열전달을 위한 열교환기가 구비되고 열교환 후 혼합수를 냉각수 제공부로 보내는 열교환부로 구성된다. 열전소자 모듈은, 복수 개의 열전소자, 열전소자 사이에 부착되는 열전도부, 일련의 유로가 형성되도록 열전도부를 연결하는 연결관으로 구성된 상기의 열전소자 모듈이 적용된다.The vehicle air conditioner includes a thermoelectric element provided with a cooling water supply unit, a cooling plate, and a heating plate for providing cooling water, and cooling water introduced from the cooling water supply unit is divided into a cooling channel and a heating channel, respectively, and cooled by heat conduction with the cooling plate and the heating plate. Thermoelectric module that discharges water and heating water, a mixing valve that selectively mixes cooling water and heating water flowing from the cooling flow path and heating flow path according to the required temperature, and adds a flow rate to the mixed water discharged from the mixing valve. A pump and a blower are provided to blow the wind, and a heat exchanger is provided for heat transfer between the blown wind and the mixed water flowing out of the pump, and a heat exchanger for sending the mixed water to the cooling water providing unit after heat exchange. The thermoelectric module includes a plurality of thermoelectric elements, a heat conduction portion attached between the thermoelectric elements, and the above-described thermoelectric element module including a connection pipe connecting the heat conduction portions to form a series of flow paths is applied.
상기 열전소자 모듈은 냉방유로와 난방유로의 냉각수 흐름이 반대 방향이 되도록 냉각수 제공부 및 혼합밸브에 연결되고, 상기 열교환기는 핀 앤드 파이프 형식으로 됨이 바람직하다.The thermoelectric module is connected to the cooling water providing unit and the mixing valve so that the cooling water flows in the cooling flow path and the heating flow path in the opposite direction, and the heat exchanger is preferably a fin and pipe type.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 열전소자 모듈 및 이를 이용한 차량용 공기조화장치에 따르면, 냉방과 난방을 분리시키고, 유체를 열전달 매개체로 하여 열전소자 모듈의 효율이 증가 된다.According to the thermoelectric module having the structure as described above and the vehicle air conditioner using the same, the efficiency of the thermoelectric module is increased by separating the cooling and heating, the fluid as a heat transfer medium.
또한 차량용 공기조화장치는 냉,난방 혼합수를 이용하여 온도의 제어가 세밀 해지고 하나의 열교환기로 냉,난방이 가능해진다. 엔진의 예열 전에도 냉,난방이 가능하며, 엔진이 탑재되지 않은 경우에도 냉,난방이 가능하다.In addition, the air conditioner for a vehicle uses a mixture of cooling and heating water to finely control the temperature, and cooling and heating can be performed with one heat exchanger. Cooling and heating are possible even before engine preheating, and cooling and heating are possible even when the engine is not mounted.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열전소자 모듈 및 이를 이용한 차량용 공기조화장치에 대하여 살펴본다.Hereinafter, a thermoelectric device module and a vehicle air conditioner using the same according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
먼저 도 1과 2를 참고하여 열전소자 모듈을 살피면, 열전소자 모듈은 복수 개의 열전소자(10)와 열전도부(30) 및 연결관으로 구성되며, 열전도부(30)와 연결관은 각각 냉방과 난방을 구분하여 제1 부 및 제2 부로 나뉜다. First, referring to FIGS. 1 and 2, the thermoelectric module is composed of a plurality of
열전소자(10)는 냉각판(12)과 발열판(14)이 구비되며 냉각판(12)은 냉각판끼리, 발열판(14)은 발열판끼리 마주보도록 배치된다.The
열전도부(30)는 열전도체로써 내부에 유로가 형성되고, 유로의 끝단에는 유입구(36)와 유출구(38)가 마련된다. 열전도부(30)는 냉각판(12) 사이에 부착되는 제1 열전도부(32), 및 발열판(14) 사이에 부착되는 제2 열전도부(34)로 나뉘고, 제1 열전도부(32)와 제2 열전도부(34)는 상호 수직이 되도록 각각의 열전소자(10) 사이에 배치되어 냉방과 난방 상호간의 열적 간섭을 최소화하면서 기본적인 유로를 형성한다.The
연결관은 일련의 냉방유로(320)가 형성되도록 제1 열전도부(32)의 유입구와 유출구를 연결하는 제1 연결관(50), 및 일련의 난방유로(340)가 형성되도록 제2 열전도부(34)의 유입구와 유출구를 연결하는 제2 연결관(70)으로 나뉘고, 제1 연결관(50) 및 제2 연결관(70)은 냉방유로(320)와 난방유로(340)가 지그재그식으로 완 성되도록 각 열전도부에 연결된다.The connecting pipe includes a
도 2의 개념도에서 볼 수 있듯이, 냉방유로(320)는 x-y평면상에서 지그재그로 냉각판(12)만을 거치며 나아가고, 난방유로(340)는 x-z평면상에서 지그재그로 발열판(14)만을 거치며 나아간다. 따라서 냉방과 난방 상호간의 열적 간섭이 최소화된다. 유로에는 냉각수 등의 기타 유체가 흘러, 열전도 방식을 이용하여 열전달이 이루어 짐으로써 대류 열전달시보다 열손실이 최소화된다.As can be seen in the conceptual diagram of FIG. 2, the
도 3을 참고하여 차량용 공기조화장치의 구성을 살펴보면, 차량용 공기조화장치는 냉각수 제공부(100), 열전소자 모듈(300), 혼합밸브(500), 펌프(700), 및 열교환부(900)로 구성된다. Looking at the configuration of the vehicle air conditioner with reference to Figure 3, the vehicle air conditioner is a cooling
냉각수 제공부(100)는 엔진으로부터 냉각수가 유입되거나, 자체적인 냉각수 탱크가 구비되어 공기조화장치에 냉각수를 제공한다. 또한, 자체 탱크의 사용시에는 냉각수 보충 밸브가 구비됨이 바람직하다.The
열전소자 모듈(300)은 냉각수 제공부(100)의 냉각수를 받아 난방수와 냉방수를 생성하며, 복수 개의 열전소자, 열전도부(30), 연결관으로 이루어진 상기 도 1과 2에서 살핀 열전소자 모듈이 적용됨이 바람직하다. 열전소자 모듈(300) 양 끝단측의 유입구와 유출구는 각각 냉각수 제공부(100) 및 혼합밸브(500)와 연결되는데, 냉각수 제공부(100)의 냉각수는 두 갈래로 갈리어 유입되어 난방유로(340)와 냉방유로(320)를 형성하며, 생성된 난방수와 냉방수는 혼합밸브(500)로 들어가 혼합수가 생성된다. 이때 유입되는 냉각수의 흐름은 서로 반대방향이 되도록 구성됨이 바람직하다. 열전소자는 일반적으로 양 열전도판 사이의 온도차가 클수록 효율이 떨 어지므로, 냉방수와 난방수의 유출구를 분리시켜 열전소자의 양 열전도판 사이의 온도차이를 최소화하기 위함이다.The
혼합밸브(500)는 차량 실내의 온도제어 컨트롤러로부터 혼합신호를 받고, 난방수와 냉방수를 필요한 온도에 따라 취사선택하여 섞어 원하는 온도의 혼합수를 생성한다. 혼합수는 냉,난방에 필요한 열전달 매개체로서, 혼합밸브(500)를 통하여 원하는 온도를 다양하게 선택할 수 있게 된다. 혼합밸브(500)를 나온 혼합수는 펌프(700)에 의하여 유속이 증가되어 유로를 흐른다.The
열교환부(900)는 송풍기(920)와 열교환기(940)가 구비되며, 펌프(700)를 통과한 혼합수는 열교환기(940)를 흐르고, 송풍기(920)는 차량 내,외부의 바람을 모아 열교환기(940)에 불어준다. 열교환기(940)를 통과한 바람은 차량 실내의 각 부로 덕트를 통하여 이동되어 냉방과 난방이 이루어진다. 열교환기(940)는 효율이 좋은 핀 앤드 파이프 형식으로 함이 바람직하다. 열교환부(900)를 지난 혼합수는 다시 냉각수 제공부(100)로 보충된다.The
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전소자 모듈의 사시도.1 is a perspective view of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열전소자 모듈의 개념도.2 is a conceptual diagram of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 공기조화장치의 개념도.3 is a conceptual diagram of a vehicle air conditioner according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 열전소자 12 : 냉각판10: thermoelectric element 12: cooling plate
14 : 발열판 30 : 열전도부14
32: 제1 열전도부 34 : 제2 열전도부32: first heat conducting portion 34: second heat conducting portion
36 : 유입구 38 : 유출구36: inlet 38: outlet
50 : 제1 연결관 70 : 제2 연결관50: first connector 70: second connector
100 : 냉각수 제공부 300 : 열전소자 모듈100: cooling water supply unit 300: thermoelectric module
320 : 냉방유로 340 : 난방유로320: cooling passage 340: heating passage
500 : 혼합밸브 700 : 펌프500: Mixing Valve 700: Pump
900 : 열교환부 920 : 송풍기900
940 : 열교환기940: heat exchanger
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